Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы: Методические указания к выполнению лабораторных работ

1

Министерство образования Российской Федерации ___________________________________________________________ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра радиотехники

ТРАНСПОРТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Ф а к у л ь т е т - радиоэлектроники Н а п р а в л е н и е и специальность подготовки дипломированных специалистов : 654200 - Радиотехника 200700 - Радиотехника

Санкт-Петербург 2001

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.396.6.001.63 Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы.: Методические указания к выполнению лабораторных работ / Составитель Г.И.Худяков. - СПб. : СЗТУ , 2001 . - 29 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы“ предназначены для студентов VI курса и составлены согласно рабочей программе дисциплины, разработанной в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению и специальности подготовки дипломированных специалис тов : 654200 – Радиотехника, 200700 – Радиотехника. Рассматриваются основные теоретические положения и методика проведения лабораторных работ по исследованию элементов радиосистем сухопутной навигации, диспетчерского управления движением и мониторинга наземного транспорта : приемоизмеритель РНС , радионавигационное поле ИФРНС , требования к точности координатного обеспечения радиосистем дистанционного управления. Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники 5 декабря 2000 г. , протокол N 4 . Одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 22 января 2001 г. , протокол N 4. Рецензенты : кафедра радиотехники СЗТУ ( ст. преподаватель А.Б.Войцеховский, канд. техн.наук) ; Д.В.Тигин, д-р техн. наук, профессор кафедры Физических и теоретических основ радиоэлектроники факультета Радиотехники, электроники и связи Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. Составитель : Г.И. Худяков , д - р техн. наук , проф.. © Северо-Западный государственный заочный технический университет,2001 © Худяков Г.И. , 2001

3

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Перед лабораторными занятиями каждый студент должен изучить соответствующий раздел конспектов курса лекций по радиоэлектронным системам диспетчеризации наземного транспорта. При выполнении лабораторной работы каждая бригада студентов проводит исследования на конкретной лабораторной установке. Работа считается законченной после предъявления преподавателю результатов исследований. После проведения исследований студенты обязаны привести в порядок свои рабочие места. Перед зачетом студент должен оформить отчет по лабораторным работам и сдать его на проверку преподавателю. Меры безопасности при выполнении лабораторных работ: 1. К работе с приемоизмерителем (ПИ) "Балтика" допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности по второй квалификационной группе работ с электроустановками напряжением до 1000 В. 2. Основную опасность при работе с ПИ "Балтика" представляет сетевой блок питания. Используемые в ПИ "Балтика" напряжения не превышают 30 В. 3. Собирать электроустановку для проведения лабораторной работы следует без подключения сетевого блока питания к электросети 220 В, 50 Гц. 4. На собранной электроустановке проверить выключение всех тумблеров и качество всех заземлений. 5. Перед подключением электроустановки к сети 220 В, 50 Гц представить установку на проверку преподавателю. ЛИТЕРАТУРА Основная : 1. Радиотехнические системы. / Под ред. Ю.М. Казаринова.- М. : Высшая школа, 1990. 2. Приемоизмеритель "Балтика". Техническое описание и инструкция по эксплуатации.- Л.: РИРВ, 1991. 3. Смирнов Д.А., Худяков Г.И., Шипилов М.М. Телекоммуникационные сети и информационно-управляющие системы : Словарь-справочник .- Спб.: СПбГУТ, 2001. Дополнительная : 4. Кожухов В.П., Григорьев В.В., Лукин С.М. Математические основы судовождения .- М.: Транспорт, 1980. 5. Никитенко Ю.И., Быков В.И., Устинов Ю.М. Судовые радионавигационные системы.- М.: Транспорт, 1992.

4

6. Сайбель А.Г. Основы теории точности радиотехнических методов местоопределения. - М.: Оборонгиз, 1958. Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЕМОИЗМЕРИТЕЛЯ ИФРНС 1. Цель работы Изучение принципа действия длинноволновых (ДВ) импульснофазовых (ИФ) радионавигационных систем (РНС) типа "Loran-C" и исследование технических характеристик приемоизмерителя (ПИ) ИФРНС как радионавигационного датчика местоположения (РДМП) объекта в радиосистемах дистанционного управления (РСДУ), использующих радиосигналы европейской цепи российской ИФРНС "Чайка". 2. Основные теоретические положения Одним из основных элементов современных радиосистем дистанционного управления (РСДУ) движением (диспетчеризации) и мониторинга ( дистанционного централизованного контроля состояния) наземных транспортных средств (НТС) является радионавигационный датчик местоположения (РДМП) объекта. В качестве такового чаще всего используется либо приемоизмеритель (ПИ) спутниковых РНС ( американская СРНС "Navstar-GPS", российская ГЛОНАСС), либо ПИ длинноволновых (с наземным базированием передающих опорных станций) ИФРНС (американская система "Loran-C", российская ИФРНС "Чайка"), либо комплексированные приемоизмерители: СРНС/ИФРНС, СРНС/инерциальные системы, ИФРНС или СРНС/датчики счисления пройденного пути и т.п. Указанные РНС с помощью опорных станций (ОС) наземного или космического базирования (с точно известными геодезическими или геоцентрическими координатами) синхронно излучают периодически повторяющиеся импульсные или непрерывные псевдошумовые радиосигналы. Эти радиосигналы распространяются в околоземном пространстве и образуют (когерентное) радионавигационное поле, с помощью которого неограниченное число НТС могут определять свои текущие геодезические, геоцентрические или иные "абсолютные" координаты. Для местоопределения НТС бортовой ПИ принимает сигналы выбранной РНС, обрабатывает их и определяет текущие значения радионавигационных параметров (РНП) - временное положение принятых радиосигналов относительно шкалы бортового устройства хранения времени и (или) их разность. С помощью значений РНП на борту НТС или на диспетчерском пункте (ДП) РСДУ вычисляются (с определенной точностью) координаты НТС.

5

Отечественная ДВ ИФРНС "Чайка" состоит из четырех цепей: европейская (ведущая опорная станция ВЩ-О "Карачев"), северо-западная (ВЩ-О "Инта"), северная (ВЩ-О "Норильск") и восточная (ВЩ-О "АлександровскСахалинский"). В настоящей работе используются радиосигналы европейской цепи ИФРНС "Чайка", состоящей из пяти опорных станций (КарачевПетрозаводск-Слоним-Симферополь-Сызрань) и имеющей период повторения радиосигналов Т 4п 0=80000 мкс. Сигналы ИФРНС "Чайка" представляют собой радиоимпульсы с колоколообразной огибающей и высокочастотным заполнением на частоте 100 кГц. Опорные станции периодически излучают пачки из восьми радиоимпульсов, интервал между которыми составляет 1000 мкс. Излучение ведомых (ВМ) опорных станций строго синхронизировано с излучением ведущей станции (ВЩ). Для временного разделения радиоимпульсов в рабочей зоне ИФРНС на ведомых станциях вводится кодовая задержка излучения Ткд относительно ведущей. Для поиска сигналов ведущей опорной станции данной цепи начальные фазы высокочастотного заполнения радиоимпульсов в каждой пач- ке имеют бинарное фазоманипулированное кодирование, отличающееся от кодирования сигналов ведомых ОС. Стандартный фазовый код ИФРНС "Чайка" имеет следующий вид: ВЩ-О нечетный период повторения ++--+-+четный ------- " -------- +--+++++ ВМ-1,2,3,4 нечетный ----- " -------- +++++--+ четный ------- " -------- +-+-++-где "+" - радиоимпульс с начальной фазой заполнения 00 ; "-" - радиоимпульс с начальной фазой 1800 . На рис.1.1 приведены форма (а) и формат (б) излучения сигналов европейской цепи ИФРНС "Чайка". На рис.1.1а приведено также временное положение характерной точки огибающей (ХТО), которая служит для привязки измерительных импульсов ПИ к идентичным нулевым переходам высокочастотного заполнения tп радиоимпульсов, принятых с помощью ПИ от различных опорных станций ИФРНС (разрешение многозначности измерений РНП). В качестве точки временной привязки к радиоимпульсу принят следующий первым за ХТО момент tп пересечения высокочастотным заполнением Е(t) уровня Е(t)=0 снизу вверх (положительный нулевой переход).

6

Рис. 1.1. Форма (а) и формат (б) излучения радиосигналов европейской цепи ИФРНС "Чайка" В [2] (с.69-70, 73) приведены расположение и номера ОС европейской цепи ИФРНС "Чайка", а в Приложении к лабораторной работе 1 - значения геодезических координат, мощностей передатчиков и задержек излучения этих ОС. В качестве РНП в ИФРНС "Чайка" используются величины τ1 = tпвм-1 - tпвщ-0 - tкд-1 , τ11 = tпвм-11 - tпвщ-0 - tкд-11 , где tпвм-1 , tпвм-11 , tпвщ-0 - времена (по бортовой шкале устройства хранения времени) приема идентичных положительных нулевых переходов радиоимпульсов, принятых от пары выбранных в качестве ведомых опорных станций и от ведущей станции цепи; tкд-1 , tкд-11 - кодовые задержки излучения выбранных ведомых опорных станций. В ПИ величины τ1 и τ11 измеряются с некоторыми погрешностями, вызванными как внешними радиопомехами (естественными и искусственными) , так и внутренними помехами, возникающими в радиотехнических цепях ПИ (тепловыми шумами, разрядностью вычислителя и т.п.). При условии правильной калибровки цепей ПИ погрешности измерения по реальным сигналам в

7

рабочей зоне ИФРНС "Чайка" момента времени tп , вызванные тепловыми шумами ПИ и общим фоном промышленных радиопомех, имеют среднеквадратическое значение σtш = 10-20 нс. Отсюда инструментальная среднеквадратическая погрешность ( СКП ) измерения РНП σ t инстр 1, 11 =

σ t ш1 , 11 2 + σ t ш 0 2

= 15 - 30 нс.

3. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой серийный морской приемоизмеритель (ПИ) ИФРНС "Балтика" со входным устройством, имеющим штыревую приемную антенну высотой 1,5 м , и с сетевым блоком электропитания. Структурная схема установки приведена на рис.1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема лабораторной установки ПИ "Балтика" имеет следующие органы управления: - наборное поле из 16 клавиш; - тумблер включения электропитания "СЕТЬ" (сбоку); - тумблер включения экрана "ЭКРАН" (сбоку); - аварийная кнопка "ПУСК" (сзади). ПИ "Балтика" содержит два индикатора: -экран матричный газоразрядный с 10 строками по 16 символов, предназначенный для отображения вводной и выводной информации; - светодиод "ОТСЧЕТ" для индикации наличия достоверных отсчетов при отключенном экране.

8

Наборное поле (клавиатура) содержит следующие клавиши: - десять цифровых клавиш ("0"-"9"); - знаковая клавиша ("-"); - клавиша десятичной запятой (","); - клавиша стирания ("С"); - префиксная клавиша (″ ∗ ″) ; - управляющие клавиши "Ввод" (" ← ") и "Вывод" (" → "). Радионавигационные сигналы ИФРНС "Чайка" принимаются штыревой антенной (вертикальный электрический диполь), фильтруются, усиливаются и поступают в предпроцессор. В предпроцессоре сигналы преобразуются в цифровую последовательность, которая запоминается в буферном накопителе. Из последнего дискретные отсчеты считываются вычислительным устройством, которое производит статистическую обработку поступающей цифровой информации (поиск сигналов ОС, нахождение точки привязки к местной шкале времени), вычисление текущих значений радионавигационных параметров и их преобразование в требуемую систему координат, а также решает ряд сервисных задач. Результаты вычислений высвечиваются на экране ПИ. При необходимости информация, выводимая на экран, сопровождается звуковыми сигналами. Обработка принятых радиосигналов обычно производится в несколько этапов (см.рис.1.3): - поиск сигналов станций ИФРНС, - допоиск фронтов сигналов,

9

- фазовое измерение положения сигналов, - разрешение многозначности фазовых отсчетов. При поиске сигналов производится стробирование периода Тп с дискретом τ п , накопление выборок от каждого строба в отдельных ячейках и сравнение результатов накопления с порогом принятия решения в режиме поиска. Если порог во всех ячейках не превышен, то стробы сдвигаются на τ п ( мкс ) и процесс поиска повторяется. В противном случае принимается решение о наличии сигнала в стробе, в котором произошло превышение порога (рис.1.3.б, точка П). Таким образом, поиск является измерением положения сигнала ИФРНС (рис.1.3,а) с точностью ± τ п . Радиосигнал ИФРНС распространяется к НТС по двум путям: непосредственно вдоль Земли (земной сигнал) и после отражения от ионосферы (отраженный сигнал, см. рис.1.3); задержка второго относительно первого около 40 мкс. Поскольку параметры отраженного сигнала нестабильны во времени, то для измерения РНП используется фронт земного сигнала, свободный от отраженного. Задача обнаружения фронта решается на этапе допоиска.

Рис. 1.3. Временные диаграммы обработки радиосигналов ИФРНС При допоиске используется стробирование участка Тп около места обнаружения сигнала в поиске с шагом τ дп << τ п (рис.1.3.в), ограниченным числом стробов (10 на рис.1.3.в). Далее, как и на этапе поиска, решается задача обнару-

10

жения сигнала. Если при этом будет обнаружен сигнал в первом стробе (точка ДП1 на рис.1.3.в),то процесс повторяется при новом положении стробов допоиска (рис.1.3.г). Если при новом положении стробов в первом стробе сигнал не обнаружен, а начиная с К-го строба обнаружен, то принимается решение о совпадении начала фронта сигнала с положением строба с наименьшим номером (точка ДП2 на рис.1.3. г). На этом процесс допоиска завершается и начинается измерение фазы сигнала. Измерение фазы обычно производится с помощью следящего измерителя, строб СС которого первоначально помещается в точку ДП2. В процессе отслеживания фазы несущей строб слежения перемещается в точку предварительной временной привязки к радиоимпульсу (точку перехода через ноль с положительной производной, как на рис.1.3. д, точка СС1). После этого производится разрешение многозначности фазовых отсчетов. Разрешение многозначности фазовых отсчетов обеспечивается системой слежения за огибающей, на вход которой поступает продифференцированная огибающая, точка перехода через ноль которой (ХТО - характерная точка огибающей) находится в периоде несущей радиоимпульса, условно принятым за третий (рис.1.3.е). Этот период еще свободен от отраженного сигнала, но имеет достаточно высокое отношение сигнал/шум. Стробы системы разрешения многозначности стремятся занять положение, изображенное на рис.1.3.ж (РСИ и ПСИ). Поскольку строб измерителя фазы жестко привязан к стробам разрешения многозначности, то он, после разрешения многозначности, займет положение t п в соответствии с рис.1.3.д (точка СС2). После завершения всех этапов измерения РНП по каждой станции ИФРНС стробы измерителей фазы СС займут положения, которые эквивалентны положениям сигналов на периоде Тп (рис.1.1.а). Поэтому интервалы времени между одноименными стробами измерителей фазы ведущей и двух ведомых ОС соответствуют двум РНП. В дальнейшем РНП могут измеряться квазинепрерывно (с дискретностью поступления сигналов ИФРНС). 4. Порядок выполнения работы 1. Изучить устройство и принцип действия приемоизмерителя (ПИ) ИФРНС "Балтика" по его техническому описанию и инструкции по эксплуатации [2] (листы 1, 5-9, 17 (рис.4.4), 22-23 (п.7.1.1), 26-28, 30-33, 36 (п.9.2.1), 63, 66-67, 72-73). Собрать установку и, после проверки преподавателем, подключить ее к электросети. 2. Включить сетевой блок питания и питание ПИ, установив тумблер "СЕТЬ" в положение "СЕТЬ". При этом начинает мигать светодиод "ОТСЧЕТ". Установить тумблер "ЭКРАН" в положение "ЭКРАН". На экране высвечивается сообщение

11

НАВИГАЦИОННЫЙ ПРИЕМОИЗМЕРИТЕЛЬ БАЛТИКА РИРВ В3.05 (РИРВ - разработчик ПИ "Балтика": Российский институт радионавигации и времени, С-Петербург). Если указанное сообщение не высвечивается, нажать кнопку "ПУСК" на задней стенке ПИ. Если ПИ подает тревожный звуковой сигнал, нажать клавишу "*". 3. Провести проверку работоспособности ПИ в режиме "ТЕСТ" (см. [2], с.63). 4. Ввести исходные данные для работы ПИ по тройке ОС "КарачевПетрозаводск-Слоним" (АВГ) ИФРНС "Чайка": - дату и время; - номер системы 8000; - номера ведомых станций 1 и 2; - начальные координаты: LAT:=5957,00; LON:=0 3020,00). 5. Подать команду "ПУСК", набрав на клавиатуре код "*00 ( ← ", засечь время по часам (на экране ПИ), записать время в табл.1.1 и следить за надписями на экране. 6. Отметить и записать момент времени, в который высветилась надпись "Допоиск". 7. Отметить и записать момент времени, в который ПИ перешел в режим "Слежение". 8. Дождаться момента времени, в который появились достоверные значения РНП (прекратились звуковые сигналы и исчезли мигающие символы "М" и "*" у координат). 9. Записать с экрана значения географических координат (LAT - широта, LON - долгота). 10. Высветить радионавигационные параметры (команда "*06") и записать в табл.1.2 последовательность из 21 пары их значений через каждые 2030 с (отдельные "пропуски" допустимы). 11. Высветить страницу "Прием" (команда "*07") и записать коды условий приема радиосигналов и отношений "шум/сигнал" по рабочим ОС. 12. Перевести тумблер "ЭКРАН" в положение "ОТКЛ", затем тумблер "СЕТЬ" в положение "ОТКЛ". Выключить сетевой блок питания и отключить его от электросети. 13. Провести вычисления по данным табл.1.2. 14. Заполнить табл.1.1. 15. Составить отчет о лабораторной работе и сделать выводы. Таблица 1.1

12

Основные характеристики ПИ "Балтика" при его работе по европейской цепи ИФРНС "Чайка" Параметры Время подачи команды ″ Пуск ″ ( ч.м.с. ) Время перехода в режим ″Допоиск ″ ( ч.м.с. ) Время поиска ( м. с. ) Время перехода в режим ″Слежение ″ ( ч.м.с. ) Время получения первого отсчета ( м. с. ) Географические координаты местоположения: - широта ( град. мин , сотые мин ) N - долгота ( град. мин , сотые мин ) E Средние значения РНП

Фактически

Паспортные

05.00 - 15.00

τ 1 ( микросекунды )

11425 ± 0,3

τ 11 ( микросекунды )

27152 ± 0,3

СКП измерения РНП s1 ( наносекунды ) s11 ( наносекунды ) Условия приема ( код / значение ) Отношение ″ шум / сигнал ″ ( код / значение )

25 - 100 25 - 100

5. Содержание отчета 1. Название лабораторной работы и данные о студентах бригады, выполнявшей работу. 2. Формулировка цели работы. 3. Структурная схема лабораторной установки. 4. Основные расчетные формулы (из табл.1.2). 5. Ход выполнения работы. 6. Заполненные таблицы 1.1 и 1.2. 7. Краткое объяснение полученных результатов. 8. Основные выводы по работе. Литература: [1], c.288 - 296 ; [2], c.1, 5-9, 17, 22, 23, 26-28, 30-33, 36, 63, 66, 67, 72, 73; [3]. Таблица 1.2 Измеренные ПИ ″ Балтика ″ значения

13

радионавигационных параметров ИФРНС ″ Чайка ″ Характеристика сеанса измерений Город : С-Петербург Место : Миллионная, 5 Дата : Начало сеанса : Окончание сеанса : Ведущая ОС : Карачев Ведомая ВМ1 : Петрозаводск Ведомая ВМ2 : Слоним ........................

NN п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 ...

Значения РНП τ i , мкс РНП 1 РНП 2

..............

............. .

21 Среднее значение 21

τ = ∑ τ i / 21

τ

i =1

СКП измерения 2⎤ ⎡ 1 21 s = ⎢ ∑ (τ i − τ ) ⎥ ⎢⎣ 20 i =1 ⎥⎦

1/ 2

s

Приложение Основные характеристики опорных станций европейской цепи ИФРНС "Чайка" . Обозначение ВЩО

Индекс А

ВМ1

В

ВМ2

Г

Станция

Геодезические Мощность координаты прд., кВт 0 ′ ″ Карачев 650 53 07 50,6 N 0 ″ ( Брянск ) 34 54 ′ 44,8 E Петрозаводск 61 0 45 ′ 32,4 ″ N 700 0 ′ ″ 33 41 40,4 E Слоним 450 53 0 07 ′ 55,2 ″ N 0 ′ ″ 25 23 46,0 E

Код. задержка Зад. излуч., мкс 0 0 10000 13217,21 25000 27125,00

14

ВМ3

Б

ВМ4

Д

Симферополь 44 0 53 ′ 20,6 ″ 33 0 52 ′ 32,1 ″ Сызрань 53 0 17 ′ 17,6 ″ 48 0 06 ′ 53,4 ″

N E N E

550 700

50000 53070,25 65000 67941,60

Работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕКТА ПО СИГНАЛАМ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЦЕПИ ИФРНС ″ ЧАЙКА ″ 1. Цель работы Изучение основных положений теории точности местоопределения радионавигационных систем и исследование точностных характеристик местоопределения объекта по сигналам европейской цепи ИФРНС "Чайка" с помощью морского приемоизмерителя (ПИ) "Балтика". 2. Основные теоретические положения На рис.2.1 представлена геометрия проведения экспериментальных исследований. Начало местной плоской декартовой системы координат (xOy) совмещаем со средним (в сеансе измерений) радионавигационным местоположением О (⎯X , ⎯Y ) антенны приемоизмерителя, вычисленным при заданной расчетной скорости V∗ распространения сигнала ИФРНС в географической системе координат (LAT=широта, LON=долгота). Ось Oy направляем по местному меридиану.

15 Рис. 2.1. Геометрическая схема для статистической обработки

результатов радионавигационных измерений Точка М (X m ,Ym) - "истинное" (геодезически привязанное) местоположение НТС во время сеанса измерений. Точка О при этом оказывается расположенной на расстояниях ⎯R 0 , 1 , 2 от опорных станций (ОС) ИФРНС (ВЩО, ВМ1 и ВМ2 соответственно). Типичные результаты радионавигационного местоопределения показаны на рис.2.1 крестиками. Эллипсы на рис.2.1 соответствуют эмпирическим оценкам единичного (среднеквадратического) и удвоенного эллипсов рассеяния радионавигационного местоположения НТС, вектор ∆Rm - смещению оценок относительно точки М. Величины a и b - полуоси эмпирического единичного эллипса рассеяния, A s - азимут его большой полуоси. Углы А 0 , 1 , 2 - обратные азимуты ОС относительно точки О. В каждом сеансе наблюдений по выбранной тройке ОС измеряются пары значений радионавигационных параметров (РНП): τ 1 = t 1 - t 0 ; τ 2 = t 2 - t 0 , где t 0 , 1 , 2 - результаты измерения момента приема радиосигналов соответствующей

ОС ИФРНС относительно местной шкалы времени ПИ. Поскольку в течение одного сеанса измерений условия распространения радиосигналов практически не меняются, то величины t0,1, 2 претерпевают только флуктуационные вариации, вызванные тепловыми шумами аппаратуры (ПИ), а также атмосферными и промышленными радиопомехами. В радионавигации флуктуации ( ∆τ 1 , ∆τ 2 ) вектора ТТ = ( τ 1 , τ 2 ), где т - знак транспонирования, считаются гауссовскими . Поэтому теоретически случайный вектор Т полностью определяется пятью величинами: вектором-строкой средних ⎯ТТ = (⎯τ 1 , дисперсиями флуктуаций РНП σ t 12 , σ t 22 и их коэффициентом корреляции ρ t . В то же время, координаты радионавигационного местоположения (например, в местной плоской декартовой системе координат: ZТ = ( x , y ) – ( см. рис.2.1) рассчитываются математически по довольно сложным формулам сфероидической геометрии и являются вектор-функциями пары РНП ( τ 1 , τ 2 ) : { x = f x( τ 1, τ 2 ) , y = f y( τ 1, τ 2 ) } . В линейном приближении : ⎯x ≈ f x (⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) , ⎯y ≈ f y ( ⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) ; ∆ x = x -⎯x ≈ ∆τ 1 ∂f x (⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) / ∂τ 1 + ∆τ 2 ∂f x (⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) / ∂τ 2 ; ∆ y = y -⎯y ≈ ∆τ 1 ∂f y (⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) / ∂τ 1 + ∆τ 2 ∂f y (⎯τ 1 , ⎯τ 2 ) / ∂τ 2 ; Иначе – в векторном виде :

16

⎯Z T = (⎯x ,⎯y) = ( f x (⎯τ 1 ,⎯τ 2 ) , f y (⎯τ 1 ,⎯τ 2 ) ) ; ∆x ∆Z =

∆τ 1 = F

= F ∆T ,

∆τ 2

∆y

∂f x (⎯τ 1 ,⎯τ 2 )

где матрица

∂f x (⎯τ 1 ,⎯τ 2 )

∂τ1

∂τ2

∂f y (⎯τ 1 ,⎯τ 2 )

∂f y (⎯τ 1 ,⎯τ 2 )

F =

∂τ2

∂τ1

является матрицей преобразования флуктуаций вектора РНП ∆ТТ = (∆τ 1 , ∆τ 2 ) во флуктуации вектора ∆ZT = ( ∆x , ∆y ) . Корреляционная матрица Вz вектор-столбца ∆Z полностью определяется матрицей F и корреляционной матрицей В t вектор-столбца ∆T , ибо Bz = ∆Z ∆ZT = F ∆T ∆TT FT = F B t FT , где

Bt =

σ 2t 1

ρ tσ t1σ t2

ρ tσt1σ t2

σ

2

t2

; Вz =

σ 2x ρzσxσy

ρzσxσy σ

2

;

y

σ 2t - дисперсия флуктуаций ∆τ РНП τ ; σ 2x , σ 2y - дисперсии составляющих погрешностей местоопределения по осям Ox и Oy соответственно; ρ z - их коэффициент корреляции. Как положительно определенная (квадратичная форма) матрица Вz имеет два инварианта относительно ортогональных линейных преобразований вектора Z (поворот системы декартовых координат): след trB z = σ 2x + σ 2y = σ 2r и определитель detB z = | B z | = σ 2 x σ 2 y ( 1 - ρ 2 z ) = | F | 2 | B t | . ( 2 .1)

17

Величина σ r широко используется как в классической навигации, так и в радионавигации и называется радиальной среднеквадратической погрешностью (СКП) местоопределения. Величина σd2 = σ r2 / 2 является средней - по произвольному (равновероятному) направлению - дисперсией проекции вектора Z на заданное направление . Инвариант ( σt1 2 + σ t2 2 ) / 2 матрицы В t аналогичного вероятностно-геометрического смысла не имеет, так как не имеют геометрического смысла поворот системы координат в плоскости ( τ 1 , τ 2 ) и проектирование на заданное на этой плоскости направление. В силу инвариантности величин σd и ⏐B z ⏐ относительно угла A s их можно выразить через полуоси единичного эллипса рассеяния a и b: σd2 = ( σx2 + σy2) / 2 = ( a2 + b2) / 2 ; 2

2

2

2

2

} ( 2.2 )

⏐B z ⏐ = σ x σ y ( 1 - ρ z ) = a b . Явное выражение для величины ⏐ F ⏐имеет вид

A − A0 A − A0 A − A1 ⎛ F = V*2 / ⎜⎜ 4 sin 1 sin 2 sin 2 2 2 2 ⎝ где

⎞ ⎟⎟ = (V* Г и )2 , (2 .3) ⎠

Г и = 0,5[sin (γ 10 / 2 ) sin (γ 20 / 2 ) sin (γ 21 / 2 )]−1 / 2 - информационный гео-

метрический фактор ; γ ij = A j − Ai - базовые углы данной тройки ОС ИФРНС (см. рис. 2.1). В морской радионавигации традиционно используется геометрический фактор Г, не инвариантный к величинам σ τ1 , σ τ2 и ρ t [1, с.235, 241]. Переходя от величины

∑ (Т ) =

Bt к величине rэ = ab = ( B z

)1 / 4

(эквивалентный радиус рассеяния) по формуле (2.1) с учетом (2.2) и (2.3) , получаем

(

)

rэ = ab = σ xσ y ⋅ 1 − ρ z2 = Г иV* ∑ (T ) , (2 .4) где величина

(

2 ∑ (T ) = σ t1σ t 2 1 − ρ t

) называется обобщенным среднеквадра-

тическим значением флуктуаций вектора Т или радиотехническим фактором, а r э - радиус круга, равновеликого единичному эллипсу рассеяния. В общей структуре формулы (2 .4) величину V∗ следует интерпретировать как радиофизический фактор. Из (2 .4) и (2 .2) можно получить выражения для величин полуосей единичного эллипса рассеяния a и b через величины σ d и r э :

18

a= (

σ d2 + rэ2 +

σ d2 − rэ2 ) / 2 , ( 2 .5)

b= (

σ d2 + rэ2 −

σ d2 − rэ2 ) / 2 .

Величины σ t1 , σ t2 и ρ t экспериментально оцениваются по следующим формулам : N

⎡N

⎤

i =1

⎣i =1

⎦

τ = ∑ τ 1 / N ; st2 = (σ~t )2 = ⎢ ∑ (τ 1 − τ )2 ⎥ / ( N − 1) ; ( 2 .6 )

~ = ⎡ ∑ (τ − τ )(τ − τ )⎤ /[( N − 1)s s ] , rt= ρ 1i 1 2i 2 ⎥ t1 t 2 t ⎢ N

⎣i =1

⎦

где N - количество пар отсчетов РНП в сеансе измерений. Аналогичные формулы используются для статистической оценки величин σ x , σ y и ρ z . 3. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой серийный морской ПИ “Балтика” со входным устройством и с сетевым блоком электропитания. Технические характеристики ПИ “Балтика” исследуются в работе 1. 4. Порядок выполнения работы 1. Изучить устройство и принцип действия ПИ "Балтика" по его техническому описанию и инструкции по эксплуатации [2] (листы 1, 5-9, 17 (рис.4.4), 22-23 (п.7.1.1), 26-28, 30-33 (п.9.2.1), 63, 66-67, 72-73). 2. Включить питание ПИ, установив тумблер "СЕТЬ" в положение "СЕТЬ". Установить тумблер "ЭКРАН" в положение "ЭКРАН". 3. Провести проверку работоспособности ПИ в режиме "ТЕСТ" (см.[2], с.63). 4. Ввести исходные данные для работы ПИ по тройке ОС "КарачевПетрозаводск-Слоним" (АВГ): - дату и время; - номер системы 8000; - номера ведомых станций 1 и 2; - начальные координаты: LAT:=5957,00; LON:= 03020,00).

19

5. Подать команду "ПУСК", набрав на клавиатуре код “ *00 (← “ , и следить за надписями на экране ПИ. 6. После перехода ПИ в режим "Слежение" дождаться исчезновения всех признаков недостоверности отсчетов: звуковой сигнал, мигающие символы "М" и "*" в строках LAT и LON. 7. Записать с экрана ПИ в табл.2.1 серию из 21 отсчета через каждые 2030 с значений географических координат радионавигационного местоположения антенны ПИ "Балтика" (LAT, LON). 8. Набрать команду “*06(← “ и тем самым высветить на экране ПИ радионавигационные параметры по тройке ОС "АВГ". 9. Записать в табл.2.1 последовательность из 21 пары ( τ11 , τ21 ) значений РНП через каждые 20-30 с . 10. Высветить страницу "Прием" (команда “*07(← “ ) и записать коды условий приема и отношений "шум/сигнал" в графу "коды приема". 11. Перевести тумблер "ЭКРАН" в положение "ОТКЛ", затем тумблер "СЕТЬ" в положение "ОТКЛ". 12. Перевести в табл.2.1 отсчеты географических минут ( игнорируя значения градусов ) в координаты местной декартовой системы (xOy) по приближенным формулам: х = 926 LON ′ ; y = 1852 LAT ′ . 13. Провести вычисления по данным табл.2.1 с помощью формул (2.2)-(2.6) и заполнить последние шесть строк табл.2.1. . 14. Рассчитать значение Г и аналитически - исходя из формул ( 2.3) - и ~ сравнить его с эмпирической оценкой Г из таблицы 2.1 ( А 0 ≈ − 15 0 , А 1 ≈ 20 0 , А 2 ≈ − 136 0 ). 15. Составить отчет о лабораторной работе и сделать выводы. Таблица 2.1 Измеренные значения географических координат и радионавигационных параметров по сигналам ИФРНС "Чайка" -------------------------------------------------------------Город: С-Петербург. Место: Миллионная, 5. Дата: Опорные станции: Карачев-Петрозаводск-Слоним (Г и ≈ 0,85 ) Средние координаты (град, мин): LAT = , LON = NN п/п 1 2 ..... 20 21

Начало : Оконч. : РНП τ 1 , мкс

РНП τ 2 , мкс

.........................

.........................

Начало : Оконч. : LAT ′ LON ′

x,м

y,м

...........

..........

..........

..........

20

Среднее СКП, s Корр., r Обобщ. СКП ~ ГИ

~

σ~d , a~, b

− −

∑ (Т )

=

1/ 2 ~ Г И = rЭ / V * (∑ (T ))

σ~d =

− − −

мкс 2 =

~= м, a

м,

~ b =

rЭ =

м

( V ∗ = 300 м / с ) м.

5. Содержание отчета 1. Название лабораторной работы и данные о студентах бригады, выполнявшей работу, подписи, дата. 2. Формулировка цели работы. 3. Основные расчетные формулы. 4. Ход выполнения работы. 5. Заполненная таблица 2.1. 6. Краткое объяснение полученных результатов. 7. Основные выводы по работе. Литература: [1], c.229...243 ; [2], c.1, 5-9, 17,22, 23, 26-28, 30-33, 36, 63, 66, 67, 72, 73; [3]. Работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РСДУ 1. Цель работы Изучение топографического плана автодорог данного города и определение требований к точности навигационного обеспечения радиосистемы дистанционного управления (РСДУ) автотранспорта, предназначенной для работы на территории города в целом или отдельного. 2. Основные теоретические положения Специфика процесса автоматизированного управления движением объектов в РСДУ заключается в том, что информация о текущем местоположении любого наземного транспортного средства (НТС), извлекаемая на борту НТС из сигналов РНС и передаваемая по каналу радиосвязи на диспетчерский пункт (ДП) в виде значений плановых координат НТС, должна правильно отображаться на электронной топологической карте-схеме (ЭТКС) обслуживаемой РСДУ территории. В городских РСДУ используются ЭТКС различных масштабов (от 1:50000 до 1:5000). Поэтому если масштаб и степень детализации ЭТКС

21

(определяемые исходя из требований заказчика РСДУ) будут соизмеримы с величиной погрешностей радионавигационного местоопределения НТС (например, радиальной среднеквадратической погрешностью местоопределения σ τ ) , то изображение местоположения НТС на ЭТКС будет не совпадать с топологическими элементами автодорожной сети, вынуждая диспетчера самостоятельно принимать решение о том, по какой из городских улиц и на каком ее участке движется НТС. Система программно-картографического обеспечения (ПКО) РСДУ должна автоматически обеспечивать разрешение двух основных вопросов: а) с какой вероятностью P 0 находится истинное местоположение НТС в определенной области ЭТКС и б) на каком именно участке топологии ЭТКС длиной 2L находится данное НТС (интервально-трассовая оценка). Если НТС находится вне городской дорожной сети, топология которой включена в структуру ЭТКС, то диспетчера перевозок интересует ответ на вопрос: "Внутри какого контура на ЭТКС территории находится с заданной вероятностью Р 0 текущее местоположение НТС ?" Автоматическое разрешение этого вопроса системой ПКО ДП назовем решением задачи локализации отображения истинного местоположения НТС на ЭТКС (рис.3.1)

22

Если расстояния d П - между соседними, параллельными маршруту движения, и d ⊥ - перпендикулярными маршруту движения НТС топологическими участками ЭТКС (см. рис.3.1) существенно превышают значение σ r (σ r << d П и σ r << σ ⊥ ) , то система ПКО должна автоматически давать ответ на вопрос:"На каком участке топологии ЭТКС (изображение городской улицы), наиболее близком к радионавигационной отметке (x н , y н ), с заданной вероятностью Р 0 находится НТС ?" Определим данную задачу как задачу редукции результатов радионави гационного местоопределения НТС, движущегося по городской улице, на изображение участка этой улицы на ЭТКС, соответствующего наиболее вероятному местонахождению НТС. Или кратко - как задачу редукции НТС на трассу движения. Если отметка (x н ,y н ) попадает в область ЭТКС, характеризующуюся условиями σ r ≈ d П и σ r << d⊥ , то возникает неоднозначность редукции ре-

23

зультатов радионавигационного местоопределения НТС, движущегося по одной из параллельных улиц, на изображение участка улицы на ЭТКС, соответствующего наиболее вероятному местонахождению НТС. Назовем такой участок топологии ЭТКС "дорожной гребенкой", а соответствующую задачу - задачей разрешения соседних трасс дорожной гребенки . Если отметка (xн ,yн ) попадает в топологически сложную область ЭТКС, определяемую условиями σ r ≈ d П ≈ d ⊥ , то данную область ЭТКС будем называть "дорожной решеткой". В таком случае перед системой ПКО ставится задача разрешения дорожной решетки . Введем на ЭТКС плоские декартовы координаты (x,y), начало которых совмещено с точкой z 0 = (x 0 ,y 0 ) истинного расположения НТС на улице. При этом будем считать, что ось Ох направлена вдоль улицы, а ось Оу - поперек улицы (рис.3.1). Наиболее полной характеристикой распределения погрешностей радиоопределения координат (x, y) НТС является двумерная плотность вероятности p н (x, y): pн(x,y) =

=

1

(

2πσ xσ y 1 − ρ z2

)

⎛ ( x − x )2 2 ρ z ( x − x )( y − y ) ( y − y ) 2 ⎞ ⎜ ⎟ − + 2 2 ⎜ ⎟ σ xσ y σx σy ⎟ , exp⎜ − 2 ⎜ ⎟ 21− ρz ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎠

(

)

(3.1) где средние значения погрешностей осям координат

x = x0, y = y 0 , их дисперсии по

σ x2 , σ 2y и коэффициент корреляции ρ z координатных со-

ставляющих либо рассчитываются аналитически, либо оцениваются экспериментально-статистически. Для решения перечисленных выше четырех задач ПКО необходимо знать распределение проекций навигационного местоположения НТС (хн , yн ) на произвольное направление. Считая априорное распределение угла ψ (ориентацию большой оси эллипса рассеяния точки zн = (хн , yн ) относительно направления движения НТС) равновероятным в пределах от 0 0 до 360 0 , из выражения (3.1) можно найти среднюю по углу ψ дисперсию ки z н на произвольное направление Оx (см.рис.3.1):

(

)

σ d2 = σ x2 + σ 2y / 2 .

( 3. 2)

σ d2 проекции точ-

24

Величина rэ = ⎛⎜ σ xσ y

⎝

(1 − ρ z2 )⎞⎟⎠

1/ 2

= ab

( 3. 3)

является радиусом круга, равновеликого единичному эллипсу рассеяния точки z н = (х н , y н ), и называется эквивалентным радиусом рассеяния радионавигационного местоположения НТС. 2.1. Локализация истинного местоположения НТС Пусть во введенной выше системе плоских декартовых координат см.рис.3.1) в результате радионавигационных измерений получены значения текущих плановых координат НТС: z н = (x н , y н ). Для автоматического принятия решения, попадает ли отметка (x н ,y н ) на участок улицы, направление которой совпадает с осью Ох выбранной системы координат, нужно величину y н сравнить с выбранным порогом dПР : если y н ≥ d ПР , то в ПКО принимается решение о нахождении НТС вне топологической структуры ЭТКС. В этом случае на ЭТКС отображается точка z н = (x н ,y н ) и круг радиуса (2-2,5) r э , внутри которого с выбранной вероятностью Р и = (0,86-0,95) находится НТС. Величина порога d ПР выбирается исходя из заданной вероятности принятия правильного решения

(

)

d пр

[

( )] ( )

(

Pпр d пр / σ d = ∫ exp − y 2 / 2σ d2 dy / 2π σ d = erf d пр / σ d 2 . где

−d пр

На рис. 3.2 кривая 1 представляет зависимость Рпр (λ ) = erf

)

(3.4)

(λ / 2 ),

λ = d пр / σ d . 2.2. Редукция местоположения НТС на трассу движения

Если в условиях рис.3.1 величина y н < d пр , то принимается решение о нахождении НТС на трассе y = 0, а радионавигационная отметка z н = ( x н , y н ) редуцируется на ось Ох.. При этом распределение вероятности истинного местоположения НТС Р и вдоль трассы y=0 имеет приблизительно нормальное распределение с дисперсией σ d2 . Поэтому с заданной вероятностью (P 0 P и) НТС находится в промежутке от (xн - L) до (xн + L), где величина L находится из равенства Ри ( L / σ d ) = erf ( L / σ d 2 ) или из графика 1 рис.3.2. 2.3.

Разрешение соседних трасс дорожной гребенки

25

Если на ЭТКС имеется ряд длинных параллельных улиц, отстоящих друг от друга на расстоянии d г = d П ≈ σ г (дорожная гребенка - рис.3.1), и направление которых совпадает с трассой движения НТС, то перед редукцией НТС на трассу движения необходимо оценить, по какой именно из улиц гребенки движется НТС. Будем полагать, что априорные вероятности нахождения НТС на улицах гребенки одинаковы. Тогда оптимальным правилом разрешения трасс дорожной гребенки является редукция НТС на ближайшую из них относительно точки (x н , y н ). Вероятность P 0 правильного разрешения трасс гребенки в таком случае приближенно равна

Po (d r ) = или

2

dr / 2

σ d 2π

o

(

∫ e

− x 2 / 2σ d2

⎛ dr ⎞ ⎟ dx = erf ⎜⎜ ⎟ ⎝ 2σ d 2 ⎠

)

Po (λ r ) = erf λ r / 2 2 , где λ r = d r / σ d .

(3.5)

Вид функции Po (λ r ) представлен кривой 2 на рис. 3.2. Заданием вели-

чины Po (λ r ) можно определить требуемое значение σ d для различения улиц дорожной гребенки определенного района города. На ЭТКС высвечивается соответствующий участок улицы длиной 2L, на котором с заданной вероятностью (P 0 Р и ) находится НТС в данный момент времени. Величина L определяется кривой 1 рис.3.2.

Рис. 3.2. Графики для расчета требований к точности координатного обеспечения РСДУ

26

2.4. Разрешение дорожной решетки Если маршрут движения НТС проходит через топологически сложный участок ЭТКС, представляющий собой решетку трасс движения с размером ячейки d р ≈ d ⊥ ≈ d П (рис.3.1), то (по аналогии с различением соседних трасс дорожной гребенки) можно получить выражение для вероятности нахождения НТС на i-й стороне городского квартала (ячейки дорожной решетки): dp dp

( )

⎛ − ( y − yo ⎜ exp ∫ ∫ ⎜ 2σ d2 o o ⎝ 2 2

2

Po d p =

πd pσ d2

Отсюда

λp

( )

Po λ p = где

2 2

λp / 2 2 2 2

∫

λp π

λ p = d p /σ d . Вид функции Po

o

do )2 ⎞ 2− y

2⎞ ⎛ ⎟ ∫ exp⎜ − x ⎟dxdydyo . ⎜ 2σ 2 ⎟ ⎟ ⎝ d⎠ ⎠ o

[

]

2 ∫ exp − (u − u o ) erf (u )dudu o ,

o

( 3.6 )

(λ p ) приведен на рис.3.2 (кривая 3). Как видим, требо-

вания по точности радионавигационного обеспечения различения улиц квартала вблизи перекрестка (по сравнению с разрешением дорожной гребенки) существенно жестче и могут стать невыполнимыми. Эти требования можно ослабить, если решение об отнесении НТС к одной из улиц городской дорожной решетки вблизи перекрестка заменить решением об отнесении НТС к самому перекрестку. Вероятность правильного отнесения НТС к данному перекрестку вычисляется по формуле : dp dp

( )

Pпр d p =

2

πd pσ d2

⎛ − ( y − yo ⎜ exp ∫ ∫ ⎜ 2σ d2 o o ⎝ 2 2

do )2 ⎞ 2

2⎞ ⎛ ⎟ ∫ exp⎜ − x ⎟dxdydyo . ⎜ 2σ 2 ⎟ ⎟ ⎝ d⎠ ⎠o

Отсюда

( )

Pпр λ p

⎡ ⎛ λ2p ⎞⎤ λ λ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 2 2 p p ⎟⎥ . ⎟− ⎟ ⎢1 − exp⎜ − = erf 2 ⎜⎜ erf ⎜⎜ ⎟ ⎟ ⎜ 8 ⎟⎥ ⎝ 2 2 ⎠ λp π ⎝ 2 2 ⎠ ⎢⎣ ⎝ ⎠⎦

27

Зависимость Pпр

(λ p )

представлена на рис. 3.2 кривой 4. Как видно из

рис.3.2, требования к разрешению перекрестков дорожной решетки существенно "мягче", чем к разрешению улиц этой решетки. В табл.3.1 приведены общие ориентировочные значения σ r = σ d 2 и их оценки для С-Петербурга. Таблица 3.1 Требования к точностным характеристикам навигационного обеспечения радиосистем дистанционного управления движением наземных транспортных средств ( σ r , м ) Условия движеАвтономное Диспетчерское Оценка для ния местоопределение управление Санктназемного Петербурга транспорта Общегородские и пригородные 30 - 130 15 - 100 40 - 70 ∗ перевозки Проводка автомобиля по центру 3 - 30 5 - 10 ∗ города Транзитные перевозки между 100 - 500 25 - 300 150 ∗ городами * - при вероятности правильного разрешения неоднозначности местоопределения P0 = 90-95%. 3. Принадлежности для выполнения лабораторной работы Для выполнения лабораторной работы студенту предоставляется: 1. Автодорожная карта города; 2. Ксерокопия участка автодорожной карты; 3. Ксерокопия рис. 3.2.

28

4. Порядок выполнения работы 1. Получить от преподавателя автодорожную карту города, ксерокопию участка автодорожной карты, задание на обслуживаемый проектируемой РСДУ район и вероятностные требования к РСДУ. 2. Ознакомиться с топологией автодорожной сети заданного района и с его расположением на территории города. 3. Выделить типовые топологические структуры районной сети (одиночные дороги, дорожные гребенки и решетки) . 4. Определить параметры типовых структур d П , d ⊥ , d r , d p . 5. Оценить точностные требования к навигационному обеспечению проектируемой РСДУ σ d и σ r = σ d 2 по копиям графиков рис. 3.2 и формулам ( 3.4 ) - ( 3.6 ) и определить требуемое средство координатного обеспечения РСДУ . 6. Сдать автодорожную карту города и ксерокопии преподавателю. 7. Составить отчет по лабораторной работе и сделать выводы. 5. Содержание отчета 1. Название лабораторной работы и данные о студентах бригады, выполнявших работу, подписи, дата. 2. Формулировка цели работы. 3. Топологическая схема фрагмента автодорожной сети. 4. Основные расчетные формулы и графики. 5. Ход выполнения работы. 6. Краткое объяснение полученных результатов. 7. Основные выводы по работе. Литература: [1], c.229...243; [3].