Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Спутниковые радионавигационные системы
1.1. Спутниковая радионавигационная система GPS
1.1.1. Назначение спутниковой радионавигационной системы GPS Navstar
1.1.2. Состав системы GPS
1.1.3. Устройство навигационных спутников GPS
1.1.4. Структура навигационного сигнала
1.1.5. Время системы GPS
1.2. Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС
1.2.1. Назначение системы ГЛОНАСС
1.2.2. Состав системы
1.2.3. Концепция навигационных определений
1.2.4. Характеристики навигационного сигнала
1.2.5. Время системы
1.2.6. Система координат
1.2.7. Структура навигационного сообщения
1.2.8. Подсистема космических аппаратов
1.3. Траекторное движение навигационных спутников
1.3.1. Системы координат, используемые в спутниковых радионавигационных системах
1.3.2. Классические элементы орбиты спутника
1.3.3. Параметры движения навигационных спутников по невозмущенной орбите
1.3.4. Основные навигационные характеристики навигационных спутников
1.3.5. Программа моделирования траекторного движения спутников системы ГЛОНАСС
1.4. Спутниковые радионавигационные системы и геоинформационные технологии на железнодорожном транспорте 57
Глава 2. Картографическая проекция В.А.Коугии для железной дороги 60
2.1. Картографическая проекция В.А.Коугии 60
2.2. Решение геодезических задач на поверхности земного эллипсоида 64
2.2.1. Виды геодезических задач 64
2.2.2. Решение главных геодезических задач на шаре 65
2.2.3. Общие условия решения геодезических задач на поверхности земного эллипсоида 67
2.2.4. Решение геодезических задач по способу Бесселя 69
2.3. Алгоритм пересчета геодезических координат в координаты проекции В.А.Коугии 80
2.4. Программа пересчета географических эллипсоидальных координат точек в плоские прямоугольные координаты проекции В.А.Коугии 83
2.4.1. Описание программы 83
2.4.2. Описание работы с программой 84
2.4.3. Формат файлов исходных, и сохраняемых данных 87
2.4.4. Применение программы при создании реперных систем на железных дорогах 90
Глава 3. Цифровые координатные модели железной дороги 92
3.1. Цифровая модель железной дороги 92
3.1.1. Цифровые модели. Основные понятия и схемы построения 92
3.1.2. Требования к цифровой модели железной дороги 97
3.2. Принцип работы аппаратуры спутниковой навигации при создании цифровой модели железной дороги 100
3.2.1. Принцип функционирования сегмента потребителя 100
3.2.2. Определение координат по результатам кодовых измерений 102
3.2.3. Определение координат пунктов по результатам фазовых измерений 104
3.3. Создание цифровых моделей железной дороги 110
3.3.1. Способ создания цифровой модели железной дороги с помощью дифференциальной подсистемы 110
3.3.2. Эксперимент по созданию цифровой модели пути экспериментального железнодорожного кольца ВНИИЖТа 113
3.4. Способ контроля состояния железнодорожного пути с использованием высокоточных цифровых моделей пути 120
Глава 4. Спутниковая навигация транспортных средств с использованием цифровых моделей железной дороги 126
4.1. Перспективность и эффективность использования стутниковых радионавигационных систем на транспорте 126
4.2. Способ спутниковой навигации железнодорожного транспорта с использованием цифровой модели железной дороги 129
4.3. Алгоритм определения координат транспортного средства 132
4.4. Эксперимент по навигации транспортных средств на экспериментальном кольце ВНИИЖТа 137
Заключение 145
Литература 148
- Системы координат, используемые в спутниковых радионавигационных системах
- Алгоритм пересчета геодезических координат в координаты проекции В.А.Коугии
- Способ создания цифровой модели железной дороги с помощью дифференциальной подсистемы
- Способ спутниковой навигации железнодорожного транспорта с использованием цифровой модели железной дороги
Введение к работе
Согласно Межгосударственной радионавигационной программе государств-участников Содружества Независимых Государств на 2001-2005 годы приоритетным направлением научно-технической политики в наземном транспорте является внедрение высоких информационных технологий, которые принципиально меняют качество и сущность управления наземным транспортом, реализуя объективные инструментальные методы контроля и управления на наземном транспорте.
Такие технологии контроля и управления должны создаваться на основе интеллектуальных информационно-телекоммуникационных систем, использующих высокоточные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС / GPS Navstar в сочетании со средствами цифровой радиосвязи на транспортных средствах и комплексной компьютеризацией информационных процессов.
В ряде стран начаты работы по применению спутниковых навигационных технологий на железнодорожном транспорте [39]. Планы создания национальной дифференциальной подсистемы GPS (NDGPS) стали частью закона США о развитии транспорта на 1998 г. [55].
Экспериментальные работы по спутниковой навигации проводились на Красноярской железной дороге с 1995 по 1997 гг. В течение 1997 г. на опытном полигоне Красноярской железной дороги проводились эксперименты по комплексированию аппаратуры потребителя (АП) СРНС с другими устройствами.
К сожалению, в настоящее время АП СРНС устанавливаемая на транспортных средствах на отвечает всем требованиям безопасности и надежности. Поэтому в настоящее время особенно актуальными становятся разработки в области комплексирования АП СРНС с другими устройствами.
Актуальность выбранной темы диссертации определяется необходимостью применения АП СРНС ГЛОНАСС/ОРБ и ЦМЖД для целей управления подвижными объектами железнодорожного транспорта.
Результаты диссертационной работы будут иметь важное значение при решении таких актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта как «Спутниковая навигация для скоростных и малодеятельных участков» и «Навигационная аппаратура для систем автоведения пригородных электропоездов и пассажирских электровозов».
С учетом вышеизложенного, были сформулированы следующие цели работы:
Изучить и описать СРНС ГЛОНАСС/ОРБ;
Изучить и описать принцип определения координат и режимов работы АП СРНС ГЛ ОНАСС/ОРБ;
Изучить и описать теорию движения навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС ГЛОНАСС/ОР8;
Изучить и описать структуру и принципы построения цифровых моделей;
Изучить и описать картографическую проекцию В.А.Коугии и обосновать перспективность ее применения для решения задач на железнодорожном транспорте (в том числе и навигации);
Разработать способ спутниковой навигации транспортных средств с использованием цифровой модели железной дороги (ЦМЖД);
Разработать способ создания цифровых координатных моделей железной дороги с помощью спутниковых дифференциальных подсистем для целей навигации транспортных средств и контроля состояния железнодорожного полотна;
Экспериментально доказать возможность создания высокоточных цифровых моделей с помощью дифференциальных спутниковых подсистем пригодных для контроля состояния железнодорожного и выправки;
Разработать способ контроля состояния железнодорожного пути с помощью высокоточных ЦМЖД;
Разработать программное обеспечение для вычисления координат ЦМЖД в картографической проекции В.А.Коугии по географическим координатам на эллипсоиде;
Разработать программное обеспечение моделирования движения НКА СРНС ГЛ OHACC/GPS;
Разработать прототип спутниковой навигационной системы с использование ЦМЖД.
Для достижения поставленных целей, используя методы научного познания, был произведен анализ трудов российских и зарубежных ученых в области СРНС (В.А.Болдина, П.П.Дмитриева, Ю.А.Ерохина, В.И.Зубинского, Ю.Г.Зурабова, Н.Е.Иванова, А.В.Карпейкина, И.А.Липкина, И.Н.Мищенко, ВЯ.Нартова, А.П.Перова, А.Е. Перкова, Ю.А.Соловьева, В.А.Удалого, В.Н.Харисова, В.М.Хроленко, В.С.Шебшаевича, М.С.Ярлыкова и др.); в области геодезических наук (П.С.Закатова, В.А.Коугии, В.П.Морозова, З.С.Хаимова и др.); геодезии на железнодорожном транспорте (Г.С.Бронштейна, В.А.Коугии, С.И.Матвеева, У.Д.Ниязгулов, М.Н.Садаковой и др.) в области математической картографии (Ф.Н.Красовского,
В.Каврайского, Н.А.Урмаева, М.Д.Соловьева, Г.А.Гинзбурга, Л.А.Вахрамеевой, Г.А.Мещерякова, Г.И.Конусовой, Л.М.Бугаевского, А.М.Портнова и др.); в области геоинформационных систем (A.B. Кошкарева,
И.Матвеева, В.С.Тикунов, В.Я.Цветкова и др.); в области небесной механики и теории движения космического аппарата (Е.П.Аксенова, В.В.Белецкого, Г.Н.Дубошина, Д.Кинг-Хили, П.Э.Эльясберга, К.Эрике и др.); в области проектирования железнодорожного пути (Ю.А.Быкова, В.В.Виноградова, Б.Н.Веденисова, Г.Г. Кожилина, Г.М. Шахунянца, Т.Г.Яковлевой и др.); используя библиотечные фонды Российской государственной библиотеки, центральной политехнической библиотеки, государственной публичной научно-технической библиотеки, ресурсы мировой информационной сети
Разработан способ спутниковой навигации транспортных средств с использованием ЦМЖД;
Разработан способ создания высокоточных ЦМЖД с помощью спутниковых дифференциальных подсистем;
Разработан способ контроля состояния железнодорожного пути по цифровым моделям железной дороги;
Разработано программное обеспечение для вычисления координат ЦМЖД в картографической проекции В.А.Коугии по географическим координатам на эллипсоиде;
Разработано программное обеспечение моделирования движения НКА СРНС ГЛОНАССЛЖ;
Разработан прототип спутниковой навигационной системы с использование ЦМЖД.
Разработанный способ спутниковой навигации транспортных средств с использованием ЦМЖД;
Разработанный способ создания высокоточной ЦМЖД с помощью спутниковых дифференциальных подсистем;
Разработан способ контроля состояния железнодорожного пути по ЦМЖД;
Разработанное программное обеспечение для вычисления координат ЦМЖД в картографической проекции В.А.Коугии по географическим координатам на эллипсоиде;
Разработанное программное обеспечение моделирования движения НКА СРНС ГЛОНАСС/ОРБ;
Разработанный прототип спутниковой навигационной системы с использование ЦМЖД.
Интернет. Для подтверждения разработанных способов, алгоритмов и программ были проведены многочисленные эксперименты на экспериментальном кольце ВНИИЖТа.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан новый способ навигационных определений с использованием ЦМЖД, который позволяет на порядок повысить точность и надежность спутниковой навигационной системы.
Впервые разработан метод создания ЦМЖД с использованием дифференциальных спутниковых подсистем, который позволяет получать координаты точек железной дороги с сантиметровой и субсантиметровой точностью. Полученные данным способом высокоточные цифровые модели можно применять для навигации транспортных средств и для выправки железнодорожного пути.
Впервые разработан способ контроля железнодорожного пути с использованием высокоточных координатных моделей железной дороги. Данный способ позволяет оценивать с высокой точностью состояние пути в плане.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
На защиту выносятся:
Апробация работы и научные публикации.
Разработанное программное обеспечение для вычисления координат ЦМЖД в картографической проекции В.А.Коугии по географическим координатам на эллипсоиде была использована в работе по научно- исследовательской теме №55н/2001 "Методика комплексной оценки пространственного положения постоянных устройств железной дороги на основе реперных систем".
Разработанное программное обеспечения расчета движения НКА СРНС ГЛОНАСС/ОРБ применялось для планирования научных экспериментов на экспериментальном кольце ВНИИЖТа при выполнении научно- исследовательской работы №50н/2002 "Создание эталонного полигона для отработки спутниковых технологий управления движения подвижного состава на экспериментальном кольце ВНИИЖТа".
От имени МНИТ МПС России поданы заявки на получения патента на изобретение для разработанного способа спутниковой навигации транспортных средств с использование ДМЖД №200212299 гос. регистрации; для разработанного способа создания ЦМЖД с помощью спутниковых дифференциальных подсистем №2002126953 гос. регистрации; для разработанного способа контроля состояния железнодорожного пути №2002114841 гос. регистрации.
Результаты диссертационной работы апробировались на 54, 55 и 56 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (г. Москва 1999-2001г.); третьей международной научно- практической конференции "Современные проблемы экономики и управления на железнодорожном транспорте" (г. Москва 2001г.); IV научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" (г.Москва 2001г.); третьей научно-практическая конференция "Безопасность движения поездов" (г. Москва 2002г.) и получили одобрение.
Основные положения диссертационной работы и научные результаты, полученные автором, опубликованы в 11 печатных работах.
Структура и объем диссертации.
Объем диссертации составляет страниц. Работа содержит таблиц, рисунков, графиков, фотографий. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из источников.
В первой главе приведены данные о российской СРНС ГЛОНАСС и американской СРНС GPS Navstar. Изложены основные положения траекторного движения навигационных спутников. Описана программа моделирования траекторного движения навигационных спутников, созданная автором диссертационной работы. Приведены сведения о применении спутниковой навигации на железнодорожном транспорте.
Во второй главе рассмотрены требования, предъявляемые к картографической проекции для создания схем и карт железной дороги.
Описаны задачи, решаемые с помощью картографических материалов на железной дороге. Установлено, что проекция профессора В.А.Коугии наилучшим образом подходит для картографирования железной дороги и решения по полученным картографическим материалам различных задач, в том числе и задач навигации транспортных средств. Приведены величины искажений расстояний и направлений в зависимости от расстояния до центральной линии проекции. Изложен алгоритм пересчета геодезических координат точек на железной дороге в координаты проекции В.А.Коугии. Описано программное обеспечение, разработанное автором диссертационной работы, на основе данного алгоритма. Описано применение названного программного обеспечения при создании реперной системы контроля железнодорожного пути в профиле и плане на участке МОСКВА-ПЕТУШКИ.
В третьей главе приведены требования к цифровым моделям железной дороги. Рассмотрены логическая и физическая структура, основные свойства и характеристики цифровых моделей. Описан способ создания высокоточной ЦМЖД с помощью дифференциальной подсистемы СРНС. Изложены принципы работы аппаратуры спутниковой навигации при создании ЦМЖД. Описан эксперимент по созданию цифровой модели экспериментального железнодорожного кольца ВНИИЖТа при выполнении научно- исследовательской работы №50н/2002 "Создание эталонного полигона для отработки спутниковых технологий управления движения подвижного состава на экспериментальном кольце ВНИИЖТа". Изложен разработанный способ контроля состояния железнодорожного пути с использованием высокоточных цифровых моделей пути.
В четвертой главе приведены требования, предъявляемые к навигационной аппаратуре транспортных средств. Изложен разработанный способ спутниковой навигации железнодорожного транспорта с использованием ЦМЖД. Установлено повышение точности и надежности спутниковой навигационной системы, основанной на данном способе, по сравнению с навигационной системой работающей в режиме автономных
Системы координат, используемые в спутниковых радионавигационных системах
Существуют две глобальные системы позиционирования [37,39,41] - Global Positioning Systems - GPS. Первой в Советском Союзе начала создаваться ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Затем стала создаваться американская NAVSTAR - Navigation System with Timing and Ranging - навигационная система, основанная на измерении времени и дальности.
Термин позиционирование означает не только определение местоположения, то есть координат объекта. Вместе с координатами определяют вектор его скорости. Координаты и составляющие скорости задают вектор состояния объекта. Таким объектом может быть судно, корабль, самолет, вертолет, спутник, автомобиль, пеший оператор либо другой подвижный носитель. Перед разработчиками системы ставилась определенная задача. Система должна обеспечивать определение вектора состояния пользователя в любое время, в любой точке земной поверхности и с точностью, необходимой пользователю.
Система находится в ведении Офиса Объединенной Программы [39,41] - Joint Program Offise (ЛРО). Офис расположен в Космическом подразделении командных систем военно-воздушных сил США - Air Force Systems Command s Space Division. Подразделение находится на базе военно- воздушных сил США - Air Force Base (AFB) - в Лос-Анджелесе.
GPS состоит из трех сегментов (segments) [39]: из космического (space), то есть спутникового сегмента, из сегмента управления и контроля и из сегмента пользователя.
Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в данную эпоху спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя - это совокупность спутниковых приемников, находящихся в распоряжении пользователей.
Номинально в каждую эпоху имеется 24 работающих (здоровых - healthy) спутника системы. Спутники распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится 4 спутника. Плоскости орбит разнесены по прямому восхождению на 60 градусов.
Сегмент управления и контроля называют также операционной системой управления и контроля - Operational Control System (OCS). Основными задачами сегмента является слежение за спутниками для определения их орбит и поправок часов спутников относительно GPST, прогноз эфемерид спутников, временная синхронизация спутников, загрузка информационного сообщения на спутники.
Первоначально главная станция управления и контроля располагалась в Вандерберге, Калифорния. Затем ее перевели в объединенный центр космических исследований - Consolidated Space Operations Center - CSOC. Центр расположен на базе военно-воздушных сил США в Фальконе, Колорадо Спрингс, штат Колорадо [39]. Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения за спутниками системы. Используя фильтр Калмана, вычисляют и предсказывают эфемериды спутников, а также параметры хода часов спутников. Затем эти данные передают на одну из трех наземных станций закладки информации, каждая из которых совмещена со станцией слежения за спутниками. Станции закладки информации по необходимости и при возможности закладывают информацию в память бортовых компьютеров спутников. На главной станции находятся цезиевые стандарты частоты и времени. В задачи главной станции входит также контроль работоспособности спутников и системы в целом.
Имеется пять станций слежения за спутниками системы [39]. Они расположены на Гавайях, в Колорадо Спрингс (США, совпадает с главной станцией системы), на острове Асунсьон в южной части Атлантического океана, на острове Диего Гарсия в Индийском океане и на острове Кваджалейн в северной части Тихого океана. Каждая из этих станций оборудована высокоточным цезиевым стандартом частоты и Р-кодовым приемником. Приемник непрерывно, каждые полторы секунды, измеряет псевдодальности до всех находящихся над горизонтом спутников. В псевдодальности вводят поправки за задержки сигнала в ионосфере и нейтральной атмосфере. Затем данные сглаживают на интервалах в пятнадцать минут и передают предварительно обработанную таким образом информацию на главную станцию управления и контроля.
Эту сеть из пяти станций используют для создания широковещательных эфемерид и для определения параметров хода часов спутников. Именно эту информацию пользователь получает из спутникового сообщения. Более точную информацию, но с запаздыванием, получают из результатов наблюдений спутников на контрольных пунктах других сетей. Гораздо более глобальная и точная сеть - это Кооперативная международная сеть GPS - Cooperative International GPS Network (CIGNET), управляемая национальной геодезической службой (NGS) США.
В сегмент управления и контроля входят три станции закладки информации [39], которые называют также наземными контрольными станциями. Они совмещены со станциями слежения на островах Асунсьон, Диего Гарсия и Кваджалейн. Каждая такая станция содержит аппаратуру связи со спутниками и антенну большого диаметра. Эти станции по спутниковым линиям связи получают с главной станции управления и контроля информацию об эфемеридах спутников и параметрах хода их часов. Эту информацию станции закладывают в память бортовых компьютеров спутников примерно каждый час. Для этого используют линию связи в диапазоне от 2,3 до 3,7 ГГц. Если по какой-либо причине закладка новых эфемерид приостановлена, то спутник транслирует старые эфемериды еще в течение 14 суток. Поскольку такие эфемериды являются результатом экстраполяции, то ошибка их постепенно увеличивается с 10 до 200 метров. Пользователь GPS - совокупность находящихся в работе спутниковых приемников и другой аппаратуры.
Алгоритм пересчета геодезических координат в координаты проекции В.А.Коугии
Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС - (Глобальная навигационная система) разработана по заказу и находится под управлением Министерства обороны РФ [8,9]. Распоряжением президента РФ №38-рп от 18.02.99 [8,9] ГЛОНАСС придан статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. В интересах мирового сообщества ГЛОНАСС используется с Постановлением Правительства РФ №237 от 07.03.1995 и №346 от 29.03.1999 [8,9] Россия предоставляет систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы.
Основное назначение СРНС ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин "глобальная оперативная навигация" означает, что подвижный объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителя (НАЛ), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить параметры своего движения - три координаты и три составляющих вектора скорости.
Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем [8]: подсистемы космических аппаратов (ПКА); подсистемы контроля и управления (ПКУ); навигационной аппаратуры потребителей (НАЛ). Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников [8], находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8 и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45. Кроме этого, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.
Подсистема контроля и управления состоит [8] из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.
Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени.
Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС [8], а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется "привязка" шкалы времени потребителя к шкале Госэталона Координированного Всемирного времени иТС(8и).
Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигационных определений, выбор рабочего "созвездия" навигационных космических аппаратов и обнаружение передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навигационного сообщения.
Интерфейс между подсистемой космических аппаратов (ПКА) и навигационной аппаратурой потребителей (НАЛ) состоит из радиолиний Ь- диапазона частот (см. рис. 1.1). Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах [8,9] (Ь1 1,6 ГГц и Ь2 1,2 ГГц).
В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах Ы и Ь2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов Ы и Ь2. НКА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные НКА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.
В радиолиниях частотных поддиапазонов Ы и Ь2 НКА ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности. Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями. Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации [8]. Сигнал стандартной точности является доступным для всех потребителей, которые оснащены соответствующей НАЛ и в зоне видимости которых находятся спутники ГЛОНАСС. В системе ГЛОНАСС не используется режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала стандартной точности. Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым НКА системы ГЛОНАСС на собственной несущей частоте в поддиапазонах Ы и Ь2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Несущая частота поддиапазона Ы модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного (ПС) дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр. Несущая частота поддиапазона Ь2 модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два ПС дальномерного кода и вспомогательного колебания типа меандр. Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты.
Способ создания цифровой модели железной дороги с помощью дифференциальной подсистемы
При создании карт важное значение имеет вопрос о выборе картографических проекций, обеспечивающих оптимальное решение по этим картам различных задач. Выбор картографических проекций зависит от многих факторов, которые можно разделить на три группы [4,5,58,59]. К первой группе отнесем факторы, характеризующие объект картографирования. Это географическое положение картографируемой территории, ее размеры, значимость ее частей. Вторая группа включает факторы, характеризующие создаваемую карту, способы и условия её использования. В эту группу входят назначение и специализация, масштаб и содержание карты, задачи, которые будут решаться по ней и требования к точности их решения, условия передачи на них относительных характеристик картографических объектов. К третьей группе отнесем факторы, которые характеризуют получаемую картографическую проекцию. Это ее характер искажений, условия обеспечения минимума искажений и допустимые максимальные искажения длин, углов и площадей, характер их распределения и т.д. Рассмотрим требования, предъявляемые к картографической проекции для создания схем и карт железной дороги. Железная дорога представляет собой достаточно сложный организационный, промышленный, экологический, социальный комплекс, территориально распределенный, с обширным, сложно структурированным, многосоставным хозяйством [15].
Задачи управления хозяйством и функционирования сети железных дорог включают в себя значительный географический или топографический компонент. Общая схема участков дорог, схемы узлов, масштабные планы и схемы станций и планы перегонов с нанесенными на них техническими объектами являются рабочими документами различных служб на всех уровнях - от дежурного диспетчера до начальника дороги.
Участок железной дороги представляет собой протяженный вдоль одного направления на земной поверхности объект. Для его картографирования необходима проекция, которая имеет минимальные искажения вдоль железнодорожного полотна и на незначительном удалении от него. Кроме того, самыми главными являются искажения длины вдоль железной дороги.
С помощью создаваемых картографических материалов должны решаться следующие задачи [15]: построение плана пути, подготовка предварительных данных для ремонта и обслуживания объектов, проектирование строительства, прогнозирование аварийных ситуаций, оценка и прогноз состояния железнодорожного полотна, инженерных сооружений, составление кадастра земель, принадлежащих железной дороге.
На основе вышеизложенного можно сделать заключение, что для картографирования железной дороги наилучшим образом подходит проекция профессора В.А.Коугии. Эта проекция создана с таким расчетом, чтобы искажения углов и расстояний в полосе местности примыкающей к трассе, были настолько малы, что при производстве геодезических измерений в ходе создания реперной сети, при последующих путевых рихтовочных и строительных работах, а также при использовании координат для геоинформационной системы можно было бы обходиться без каких либо поправок, учитывающих искажение проекции [21,29].
За центральную линию проекции принята геодезическая линия, проходящая на поверхности земного эллипсоида по генеральному направлению магистрали так, чтобы магистраль от нее удалялась незначительно. Используя вытянутость магистрали, за начало и конец центральной линии, как правило, принимают точки, расположенные вблизи начала и конца обслуживаемого проекцией участка магистрали (точки О и С на рис.2.1).
В принятой проекции геодезическая линия, являющаяся центральной линией проекции, изображается на плоскости прямой, которая служит осью абсцисс плоской системы координат. По этой оси расстояния изображаются без искажений.
Ординатами на эллипсоиде служат геодезические нормали геодезические линии, перпендикулярные центральной геодезической линии, которые на плоскости изображаются прямыми, перпендикулярными к оси абсцисс. По этим линиям расстояния также отображаются без искажений.
Положение точки М определяется на поверхности эллипсоида (рис.2.1) и на плоскости (рис.2.2) одинаковыми координатами х и у, откладываемыми в первом случае по геодезическим, а во втором по прямым линиям [21,29].
Масштаб изображения на центральной линии проекции, то есть по оси х, а также по направлению перпендикуляров, то есть по прямым у, к ней равен единице. На геодезических параллелях к центральной линии масштаб изображения будет больше единице. Эти параллели при переносе на плоскость испытывают растяжение превращаясь в прямые параллельные центральной линии ОС.
Для приближенной оценки величины возможных искажений примем Землю за шар и заметим, что при проецировании на плоскость длины геодезических параллелей становятся равными длинам большого круга, испытав при этом растяжение в R/r раз (где R - радиус Земли, а г - радиус малого круга). Следовательно, масштаб на геодезической параллели будет равен R/r и потому будет отличаться от масштаба на геодезической нормали на величину [21,29]:
Способ спутниковой навигации железнодорожного транспорта с использованием цифровой модели железной дороги
Программа была использована при создании реперной системы контроля состояния железнодорожного пути в плане и профиле на участке МОСКВА - ПЕТУШКИ.
Создаваемая для Московско-Горьковской дистанции пути реперная система является универсальной опорной геодезической сетью специального назначения. Она позволит обеспечить производство всех съемочных и разбивочных геодезических работ, возникающих при изысканиях, проектировании, строительстве и текущем содержании железных дорог, мониторинге железнодорожных путей и сооружений, межевании земель и создании кадастра железных дорог [20,22,28].
Реперная система является геометрической основой железнодорожных путей. От ее пунктов проектная геометрия будет передаваться на элементы пути либо с помощью традиционных измерительных средств, либо путем автоматизированной привязки показаний измерительных систем выправочных машин и механизмов к рабочим реперам [43].
Реперная система позволит выполнить корректировку общепринятой для линейных сооружений, пикетажной координатной системы и уточнить метрическую информацию существующих автоматизированных систем инвентаризации и паспортизации [43].
В перспективе, реперные системы будут служить геометрической основой геоинформационных систем (ГИС) железных дорог, перекрывающих по своей точности все возможные сферы применения ГИС: инвентаризацию, проектирование и управление [23]. В соответствии с проектом, специальная реперная сеть линии Москва - Петушки является многоуровневой системой геодезического обеспечения железной дороги, включающей [31,29]: Пункт международной службы GPS сети «Менделеево», предназначенный для целей связи различных, в том числе и местных, (поскольку реперная система создается локальными звеньями, обеспечивающими проведение капитального ремонта на отдельных участках). Опорную геодезическую сеть (ОГС), состоящую из 32 каркасных пунктов спутниковой сети, расположенных попарно через 5 - 10 км и сгущённых главными пунктами ОГС, определённых также спутниковыми методами на участке от станции Павлов - Посад до станции Москва примерно через 2-3 км. Пункты опорной геодезической сети (ОГС) закреплены в массивных железобетонных конструкциях [29,43]: оттяжках опор контактной сети, устоях мостов и др. сооружений в виде крестообразных меток на металлических частях, или дюбелей, закладываемых в железобетонные конструкции! 34]. При построении геодезической основы применялись двухчастотные комбинированные ГЛОНАСС/GPS приемники Legacy фирмы Javad Positioning Systems (JPS). Приемники указанного типа обеспечивают одновременный прием измерительной информации по сорока радиоканалам, как от спутников системы GPS, так и ГЛОНАСС [29,31]. 91 При производстве измерений были использованы прецизионные антенны Regant системы choke ring, стабильность положения фазового центра которых обеспечивается в пределах 2-3 мм [29,31], как в плановом, так и в высотном отношении. Как заявляют производители (http://www.javad.com) и свидетельствуют результаты исследований, точность определения плановых компонент векторов базовых линий характеризуется средней квадратической ошибкой 3 мм + 10" D, а высотных -15 мм + 10" D. В настоящее время, есть основания полагать, что точность определения вертикальной компоненты выше заявленной. Затем координаты пунктов ОГС полученные спутниковыми измерениями в системе земного эллипсоида WGS-84 с помощью программы пересчета переводились в систему координат реперной сети (проекцию проф. В.А.Коугии). Затем на основе полученных координат пунктов ОГС геодезическими измерениям получали координаты реперов в этой системе. Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании - цифрового моделирования [7,12]. Основной элемент цифрового моделирования - цифровая модель (ЦМ), которая может быть получена с помощью разнообразных технологий. ЦМ должна содержать четыре основных свойства [5,7,46]: 1. Как цифровая она должна оптимально организована и удобна при работе на ЭВМ. 2. Как модель вообще она должна быть определена на известном классе моделей. 3. Как модель объекта - она должна содержать специальную информацию данной конкретной предметной области. 4. Как структура базы данных ЦМ должна иметь возможность для моделирования, многократного использования, анализа и решения различных задач. Рассмотрим два метода построения ЦМ: на основе обобщения и на основе агрегации. На основе обобщения ЦМ строится из [5,7,46]: 1. Элементов координатного и атрибутивного описания, характеризующих предметную область и моделируемые объекты. 2. Базовой модели данных 3. Дополнительной информации для многократного использования 4. Алгоритмов обработки на ЭВМ. Агрегативная модель дает наглядное наглядное представление о том, что цифровая модель местности (ЦММ) входит в класс общих цифровых моделей и подкласс цифровых моделей ГИС. Рассмотрим типы информации, с которой может оперировать цифровая модель местности.
Метрическая информация. Она передает метрическую (измерительную) характеристику объекта, т.е. координаты, размеры. Эта информация относительно проста и однородна по структуре, в силу чего она является сильно типизированной. Метрическая информация в ГИС содержит координатные данные и некоторые (числовые) атрибутивные данные.
Качественным отличием цифровых моделей, полученных по реальным измерениям, является точностная характеристика модели. Она обусловлена ошибками измерений и последующими ошибками вычислений при геометрическом моделировании. Этот параметр определяет применимость цифровой модели, в частности, при получении графических реализации в разных масштабах.
Похожие диссертации на Спутниковая навигация транспортных средств с использованием цифровых моделей железной дороги
