RU2012152265A - Методы и аппаратура определения направления движения приемника гнсс - Google Patents

Abstract

1. Метод определения направления движения приемника ГНСС, отличающийся тем, что включает на каждом такте работы следующие шаги:(A) формирование первичной оценки модуля вектора скорости с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;(B) формирование экстраполированного значения модуля вектора скорости с использованием предыдущих оценок модуля вектора скорости, полученных на шаге (A);(C) формирование первичной оценки угла ориентации вектора скорости в одной из двух возможных областей определения угла: [0…2π] или [-π…+π], с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;(D) формирование оценки дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости в соответствии со следующим правилом:(i) если оценка модуля вектора скорости, сформированная на шаге (A), меньше заданного минимального значения, то значение оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости полагается равной заранее выбранной максимальной величине, а(ii) в противном случае оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости вычисляется как отношение предварительно полученной оценки дисперсии модуля вектора скорости к квадрату первичной оценки модуля вектора скорости, сформированной на (A);(E) если экстраполированная величина модуля вектора скорости, полученная на шаге (B) больше заданного минимального значения, то выполняется шаг (G), в противном случае, выполняется шаг (F);(F) установка следующей сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости, равной своему предыдущему значению;(G) формирование сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости на основе нелинейной рекуррентной фильтрации п

Claims (24)

1. Метод определения направления движения приемника ГНСС, отличающийся тем, что включает на каждом такте работы следующие шаги:

(A) формирование первичной оценки модуля вектора скорости с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;

(B) формирование экстраполированного значения модуля вектора скорости с использованием предыдущих оценок модуля вектора скорости, полученных на шаге (A);

(C) формирование первичной оценки угла ориентации вектора скорости в одной из двух возможных областей определения угла: [0…2π] или [-π…+π], с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;

(D) формирование оценки дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости в соответствии со следующим правилом:

(i) если оценка модуля вектора скорости, сформированная на шаге (A), меньше заданного минимального значения, то значение оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости полагается равной заранее выбранной максимальной величине, а

(ii) в противном случае оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости вычисляется как отношение предварительно полученной оценки дисперсии модуля вектора скорости к квадрату первичной оценки модуля вектора скорости, сформированной на (A);

(E) если экстраполированная величина модуля вектора скорости, полученная на шаге (B) больше заданного минимального значения, то выполняется шаг (G), в противном случае, выполняется шаг (F);

(F) установка следующей сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости, равной своему предыдущему значению;

(G) формирование сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости на основе нелинейной рекуррентной фильтрации первичных оценок угла ориентации, полученных на шаге (C), причем параметры фильтра на каждом такте получаются на основе оценки дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D).

2. Метод по п.1, отличающийся тем, что шаги (Е), (F) и (G) модифицируются для определения угла ориентации вектора скорости по предварительно сглаженным оценкам проекций вектора скорости согласно следующим правилам, при которых:

на шаге (Е), если и (a) экстраполированная оценка модуля вектора скорости, полученная на шаге (B) больше заданной минимальной величины скорости, и (b) счетчик времени определяет, что длительность предполагаемой остановки больше, чем заданная минимальная длительность, то выполняется шаг (G), в противном случае, выполняется шаг (F),

шаг (F) дополнительно включает увеличение значения счетчика времени;

шаг (G) дополнительно включает, установку счетчика времени в ноль;

3. Метод по п.1, отличающийся тем, что нелинейная рекуррентная фильтрация на шаге (G) включает использование модифицированного калмановского фильтра для обеспечения фильтрации циклической величины; а метод дополнительно включает на каждом такте:

(1) установку области определения сглаженной оценки угла в соответствии с областью определения первичных оценок угла ориентации вектора скорости, если сглаженная оценка не принадлежит к области определения угла, выбранной на шаге (C);

(2) установку области определения экстраполированной оценки угла в соответствии с областью определения первичных оценок угла ориентации вектора скорости, если экстраполированная оценка не принадлежит к области определения угла, выбранной на (C);

(3) формирование сигнала ошибки как кратчайшего расстояния между первичной оценкой угла ориентации вектора скорости и экстраполированной и экстраполированной оценкой этого угла.

4. Метод по п.3, отличающийся тем, что модифицированный калмановский фильтр, описанный на шаге (G) одновременно обрабатывает первичные оценки угла ориентации вектора скорости и первичные оценки угловой скорости, полученные с использованием фазовых измерений навигационного приемника, по крайней мере, в двух различных частотных диапазонах, оценка дисперсии которых определяется в зависимости от точности фазовых измерений приемника.

5. Метод по п.3, отличающийся тем, что в модифицированном калмановском фильтре к расчетному значению корреляционной матрицы ошибок экстраполяции добавляется матрица поправок где:

- величины поправок рассчитываются на основе заданной интенсивности вероятного маневра угла ориентации вектора скорости; и

- корреляционная матрица добавляется только на таких циклах операции фильтрации, когда модуль сигнала ошибки больше, чем квадратный корень дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D) не менее чем в 3-7 раз.

6. Метод по п.1, отличающийся тем, что на шаге (B) экстраполированное значение модуля вектора скорости определяется на основании первичной оценки модуля вектора скорости, полученной на шаге (A) на нескольких предыдущих тактах.

7. Метод по п.1, отличающийся тем, что на шаге (B) экстраполированное значение модуля вектора скорости определяется на основе оценки скорости изменения модуля вектора скорости, который, в свою очередь, формируется за счет сглаживания первичной оценки модуля вектора скорости на шаге (A).

8. Метод по п.4, отличающийся тем, что шаг (F) изменяется следующим образом:

(1) счетчик времени, определяющий длительность предполагаемой остановки увеличивается на 1;

(2) оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D) на текущем такте заменяется заранее выбранной максимальной величиной;

(3) а затем выполняется шаг (G).

9. Аппаратура приемника ГНСС, отличающаяся тем, что предназначена для выполнения следующих действий:

(A) формирования первичной оценки модуля вектора скорости с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;

(B) формирования экстраполированного значения модуля вектора скорости с использованием предыдущих оценок модуля вектора скорости, полученных на шаге (A);

(C) формирования первичной оценки угла ориентации вектора скорости в одной из двух возможных областей определения угла: [0…2π] или [-π…+π], с использованием текущих оценок проекций вектора скорости;

(D) формирования оценки дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости в соответствии со следующим правилом:

(i) если оценка модуля вектора скорости, сформированная на шаге (A), меньше заданного минимального значения, то значение оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости полагается равной заранее выбранной максимальной величине, а

(ii) в противном случае оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости вычисляется как отношение предварительно полученной оценки дисперсии модуля вектора скорости к квадрату первичной оценки модуля вектора скорости, сформированной на (A);

(E) если экстраполированная величина модуля вектора скорости, полученная на шаге (B) больше заданного минимального значения, то выполняется шаг (G), в противном случае, выполняется шаг (F);

(F) установка следующей сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости, равной своему предыдущему значению;

(G) формирование сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости на основе нелинейной рекуррентной фильтрации первичных оценок угла ориентации, полученных на шаге (C), причем параметры фильтра на каждом такте получаются на основе оценки дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D).

10. Аппаратура по п.9, отличающаяся тем, что шаги (E), (F) и (G) модифицируются для определения угла ориентации вектора скорости по предварительно сглаженным оценкам проекций вектора скорости согласно следующим правилам:

- на шаге (E), если и (a) экстраполированная оценка модуля вектора скорости, полученная на шаге (B) больше заданной минимальной величины скорости, и (b) счетчик времени определяет, что длительность предполагаемой остановки больше, чем заданная минимальная длительность, то выполняется шаг (G), в противном случае, выполняется шаг (F),

- шаг (F) дополнительно включает увеличение значения счетчика времени;

- шаг (G) дополнительно включает, установку счетчика времени в нуль;

11. Аппаратура по п.9, отличающаяся тем, что содержит модифицированный калмановский фильтр для нелинейной рекуррентной фильтрации для обеспечения фильтрации циклической величины; и на каждом такте аппаратура дополнительно выполняет следующее:

(1) установку области определения сглаженной оценки угла в соответствии с областью определения первичных оценок угла ориентации вектора скорости, если сглаженная оценка не принадлежит к области определения угла, выбранной на шаге (C);

(2) установку области определения экстраполированной оценки угла в соответствии с областью определения первичных оценок угла ориентации вектора скорости, если экстраполированная оценка не принадлежит к области определения угла, выбранной на (C); и

(3) формирование сигнала ошибки как кратчайшего расстояния между первичной оценкой угла ориентации вектора скорости и экстраполированной оценкой этого угла.

12. Аппаратура по п.10, отличающаяся тем, что модифицированный калмановский фильтр, описанный на шаге (G), одновременно обрабатывает первичные оценки угла ориентации вектора скорости и первичные оценки угловой скорости, полученные с использованием фазовых измерений навигационного приемника, по крайней мере, в двух различных частотных диапазонах, оценка дисперсии которых определяется в зависимости от точности фазовых измерений приемника.

13. Аппаратура по п.11, отличающаяся тем, что в модифицированном калмановском фильтре к расчетному значению корреляционной матрицы ошибок экстраполяции добавляется матрица поправок; где:

- величины поправок рассчитываются на основе заданной интенсивности вероятного маневра угла ориентации вектора скорости; и

- корреляционная матрица добавляется только на таких циклах операции фильтрации, когда модуль сигнала ошибки больше, чем квадратный корень дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D) не менее чем в 3-7 раз.

14. Аппаратура по п.9, отличающаяся тем, что на шаге (B) экстраполированное значение модуля вектора скорости определяется на основании первичной оценки модуля вектора скорости, полученной на шаге (A) на нескольких предыдущих тактах.

15. Аппаратура по п.9, отличающаяся тем, что на шаге (B) экстраполированное значение модуля вектора скорости определяется на основе оценки скорости изменения модуля вектора скорости, который, в свою очередь, формируется за счет сглаживания первичной оценки модуля вектора скорости на шаге (A).

16. Аппаратура по п 12, отличающаяся тем, что шаг (F) заменяется следующим образом:

(1) счетчик времени, определяющий длительность предполагаемой остановки увеличивается на 1;

(2) оценка дисперсии первичной оценки угла ориентации вектора скорости, полученной на шаге (D) на текущем такте заменяется заранее выбранной максимальной величиной;

(3) а затем выполняется шаг (G).

17. Метод определения направления движения приемника ГНСС, отличающийся тем, что включает на каждом такте работы шаги:

(A) формирование первичных оценок модуля вектора скорости V_n, используя текущие оценки проекций вектора скорости V_E и V_N следующим образом: $$$$

$$$$

$$V_n=\sqrt{V_E^2+V_N^2}$$

;

(B) формирование экстраполированной величины модуля вектора скорости V^pred используя V_n, полученного на шаге (A) на пред и предпредыдущем тактах работы или еще более ранних тактах;

(C) формирование первичной оценки угла ориентации вектора скорости Θ следующим образом: $$$$

$$$$

$$\Theta =arctg\left(\frac{V_E}{V_N}\right)$$

, где Θ находится в области [0…2π];

(D) формирование оценки дисперсии $${\sigma }_{\Theta }^2$$

угла Θ:

$${\sigma }_{\Theta }^2=\{\begin{array}{cc}{\sigma }_{\Theta MAX}^2& if\langle V_n<V_{\min }\rangle \\ \raisebox{1ex}{${\sigma }_V^2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V_n^2$}\right.& if\langle V_n\ge V_{\min }\rangle \end{array}$$

,

где $${\sigma }_{\Theta MAX}^2$$

, $${\sigma }_V^2$$

, V_min - это заранее заданные величины, a V_n получена на шаге (A);

(E) если V^pred>V_min, то выполняется шаг (G), в противном случае выполняется шаг (F);

(F) установка следующей сглаженной оценки угла ориентации вектора скорости $${\tilde{\Theta }}_n$$

, равного его предыдущей величине $${\tilde{\Theta }}_{n-1}:{\tilde{\Theta }}_n={\tilde{\Theta }}_{n-1}$$

;

(G) формирование сглаженной оценки $$$$

$${\tilde{\Theta }}_n$$

с помощью калмановской фильтрации, приспособленной к первичным оценкам фильтра $${\Theta }_n$$

, полученным на шаге (C) и с помощью $${\sigma }_{\Theta }^2$$

, взятого на шаге (D):

$${\vartheta }_n^{pred}=F_2\left[{\Phi }_n\cdot {\tilde{\vartheta }}_{n-1}\right]$$

,

$${\Psi }_n^{pred}={\Phi }_n\cdot \left({\Psi }_{n-1}+{\Psi }_0\right)\cdot {\Phi }_n^T$$

,

$$K_n={\Psi }_n^{pred}\cdot H_n^T\cdot {\left(H_n\cdot {\Psi }_n^{pred}\cdot H_n^T+R_n\right)}^{-1}$$

,

$${\tilde{\vartheta }}_n=F_2\left[{\vartheta }_n^{pred}+K_n\cdot F_1\left[Y_n-H_n\cdot {\vartheta }_n^{pred}\right]\right]$$

,

$$\Psi ={\Psi }_n^{pred}-K_n\cdot H_n\cdot {\Psi }_n^{pred}$$

,

где $$Y_n={\Theta }_n$$

- первичная оценка угла с шага (C),

$$R_n={\sigma }_{\Theta n}^2$$

i - оценка дисперсии с шага (D),

$${\vartheta }_n^{pred}$$

- экстраполированная оценка,

$${\tilde{\vartheta }}_n$$

- сглаженная оценка,

F₁[…] и F₂[…] - нелинейные преобразования, чтобы модифицировать Калмановский фильтр для фильтрации циклических величин,

Ψ₀ - заранее заданная величина параметра, ограничивающего полосу пропускания калмановского фильтра,

матрица Φ_n основана на выбранной модели изменения угла,

матрица H_n учитывает выбранный порядок фильтра.

18. Метод по п.17, отличающийся тем, что шаги (E), (F) и (G) модифицируются для определения угла Θ, используя предварительно сглаженные $$V_E={\tilde{V}}_E$$

и $$V_N={\tilde{V}}_N$$

:

причем, на шаге (E), если и V^pred>V_min и t_s>Т, то выполняется шаг (G), в противном случае выполняется шаг (F),

где t_s - это счетчик времени длительности предполагаемой остановки, T - это заранее заданная минимальная величина времени;

причем шаг (F) дополнительно включает увеличение счетчика на 1 t_s=t_s+1; и

на шаге (G), t_s=0.

19. Метод по п.17, отличающийся тем, что калмановский фильтр на шаге (G) обеспечивает фильтрацию циклической величины, и включает:

(1) установку области для $${\tilde{\Theta }}_n$$

в соответствии с областью $${\Theta }_n$$

, выбранной на шаге (C) путем использования преобразования F₂[…], где $${\tilde{\Theta }}_n\equiv \{\begin{array}{cc}{\tilde{\Theta }}_n& if\langle 0<{\tilde{\Theta }}_n<2\pi \rangle \\ {\tilde{\Theta }}_n-2\pi & if\langle {\tilde{\Theta }}_n>2\pi \rangle \\ {\Theta }_n+2\pi & if\langle {\tilde{\Theta }}_n<0\rangle \end{array}$$

;

(2) установку области для $${\Theta }_n^{pred}$$

в соответствии с областью Θ_n, выбранной на шаге (C) путем использования преобразования F₂[…], где $${\Theta }_n^{pred}\equiv \{\begin{array}{cc}{\Theta }_n^{pred}& if\langle 0<{\Theta }_n^{pred}<2\pi \rangle \\ {\Theta }_n^{pred}-2\pi & if\langle {\Theta }_n^{pred}>2\pi \rangle \\ {\Theta }_n^{pred}+2\pi & if\langle {\Theta }_n^{pred}<0\rangle \end{array}$$

; и

(3) формирование сигнала ошибки $${\Delta }_{\Theta n}=F_1\left[Y_n-H_n\cdot {\vartheta }_n^{pred}\right]$$

как разницы по кратчайшей дуге между $${\Theta }_n$$

и $${\Theta }_n^{pred}$$

, где преобразование F₁[Δ_n]

,

где $${\Delta }_n={\Theta }_n-{\Theta }_n^{pred}$$

- в области Δ_Θn, выбранном на шаге (C).

20. Метод по п.19, отличающийся тем, что фильтр на шаге (G) одновременной обрабатывает Θ_n и первичные оценки скорости угла $${\dot{\Theta }}_n^{\varphi }$$

, полученные с использование фазовых измерений $${\Phi }_n^{L1}$$

, $${\Phi }_n^{L2}$$

полученных ГНСС приемником не менее, чем в двух частотных диапазонах L1, L2, оценка дисперсии которых $${\sigma }_{{\dot{\Theta }}^{\varphi }}^2$$

, определяется в зависимости от точности фазовых измерений приемника и

где матрицы фильтра Y_n, R_n имеют форму $$Y_n=\Vert \begin{array}{c}{\Theta }_n\\ {\dot{\Theta }}_n^{\varphi }\end{array}\Vert$$

, $$R_n=\Vert \begin{array}{cc}{\sigma }_{\Theta }^2& 0\\ 0& {\sigma }_{{\dot{\Theta }}^{\varphi }}^2\end{array}\Vert$$

,

причем для оценки $${\dot{\Theta }}_n^{\varphi }$$

используется приращение угла на каждом такте работы τ равное

$$\Delta {\theta }_n^{\varphi }=\frac{f_{L2}}{f_{L1}-f_{L2}}\cdot \Delta {\phi }_n^{L1}-\frac{f_{L1}}{f_{L1}-f_{L2}}\cdot \Delta {\phi }_n^{L2}$$

,

где, f_L1 и f_L2 - номинальные значения несущей частоты в соответствующих диапазонах ГНСС,

$$\Delta {\phi }_n^{L1}={\phi }_n^{L1}-{\phi }_{n-1}^{L1}$$

и $$\Delta {\phi }_n^{L2}={\phi }_n^{L2}-{\phi }_{n-1}^{L2}$$

- приращения полных фаз, измеренные с помощью ГНСС приемника на соответствующих несущих частотах на каждом такте, и где

для оценки $${\sigma }_{{\dot{\Theta }}^{\varphi },n}^2$$

, используются оценки отношения сигнал-шум $$SN{R}_{j,n}^{L1}$$

и $$SN{R}_{j,n}^{L2}$$

после того, как они получены от j-того спутника в диапазонах L1 и L2 соответственно.

21. Метод по п.19, отличающийся тем, что в модифицированном калмановском фильтре к расчетному значению корреляционной матрицы ошибок экстраполяции $${\psi }_n^{pred}$$

добавляется матрица поправок $$\left\{G_n\cdot {\psi }_{\eta }\cdot G_n^T\right\}$$

, величины которых вычисляются в соответствии с ожидаемой максимальной интенсивностью маневра по углу ориентации вектора скорости,

причем величины поправок рассчитываются на основе заранее заданной интенсивности возможного маневра угла ориентации вектора скорости $${\psi }_{\eta }={\sigma }_{\ddot{\Theta }}^2$$

,

причем матрица поправок $$\left\{G_n\cdot {\psi }_{\eta }\cdot G_n^T\right\}$$

добавляется только на таких тактах операции фильтрования, когда |Δ_Θn| больше стандартного отклонения $${\sigma }_{{\Theta }_n}$$

более чем в 3-7 раз,

$${\Psi }_n^{pred}=\{\begin{array}{cc}{\psi }_n^{pred}+G_n\cdot {\psi }_{\eta }\cdot G_n^T& if\langle \left|{\Delta }_{\Theta n}\right|>\Pi \cdot {\sigma }_{\Theta n}\rangle \\ {\psi }_n^{pred}& if\langle \left|{\Delta }_{\Theta n}\right|\le \Pi \cdot {\sigma }_{\Theta n}\rangle \end{array}$$

,

где Π=3…7, и

где матрица G_n учитывает выбранную модель изменения угла.

22. Метод по п.17, отличающийся тем, что на шаге (B), $$V_n^{pred}=2\cdot V_{n-1}-V_{n-2}$$

, где V_n-1, V_n-2 берутся с шага (A) на предыдущем и пред-предыдущем тактах работы соответственно.

23. Метод по п.17, отличающийся тем, что на шаге (B) $$V_n^{pred}={\tilde{V}}_{n-1}+{\tilde{\dot{V}}}_{n-1}\cdot \tau$$

, где $${\tilde{V}}_{n-1}$$

, $${\tilde{\dot{V}}}_{n-1}$$

- сглаженные оценки модуля вектора скорости и его первая производная соответственно, взятые с предыдущего такта работы.

24. Метод по п.20, отличающийся тем, что шаг (F) изменяется на следующее:

(1) счетчик времени t_s предназначенный для определения длительности предполагаемой остановки увеличивается на 1: t_s=t_s+1;

(2) $${\sigma }_{\Theta n}^2$$

для текущего такта на шаге (D) заменяется на $${\sigma }_{\Theta MAX}^2:{\sigma }_{\Theta n}^2={\sigma }_{\Theta MAX}^2$$

,

(3) а затем выполняется шаг (G).