Реалізація алгоритму фільтрації траєкторії руху GPS-модуля за результатами вимірювання координат

Abstract

Супутникова навігаційна система складається з групи від 2 до 30 орбітальних супутників, що передають спеціальні радіосигнали, наземної системи керування та приймального обладнання користувача «супутниковими навігаторами». Для підвищення точності визначення координат може використовуватися система наземних станцій, а також системи, що передають користувачеві точні координати та супутникові годинники. Положення приймача в супутниковій навігаційній системі розраховується за допомогою діапазонів різних супутникових сузір'їв. Радіус сфери неможливо точно визначити через такі фактори, як затримки в іоносфері та тропосфері, релятивістські ефекти та вплив прийнятих відбитих сигналів. Без будь-якої корекції точність позиціонування може досягати 30-50 метрів [1]. Наразі в експлуатації або готуються до розгортання такі супутникові навігаційні системи: NAVSTAR - GPS (Global Positioning System) - це супутникова навігаційна система, яка вимірює відстань, час та визначає місцезнаходження. Він дозволяє визначати положення та швидкість будь-якої точки на Землі практично за будь-яких погодних умов, а також положення та швидкість об'єктів у космічному просторі поблизу Землі. Система була розроблена, впроваджена та експлуатується Міністерством оборони США. Основний принцип використання цієї системи полягає у визначенні положення шляхом вимірювання відстані від відомої точки координат до об'єкта. Ця відстань розраховується на основі часу затримки, необхідного для проходження сигналу від супутника до приймальної антени GPS. Тобто, для визначення тривимірних координат GPS-приймачу необхідно знати відстані до 5 трьох супутників та час системи GPS. Тому для визначення координат та висоти приймача необхідні сигнали щонайменше від чотирьох супутників. Кожна система транслює один і той самий контент на двох частотах. Це робиться для того, щоб розрахувати іоносферну затримку, оскільки іоносферна затримка залежить від частоти, і ця залежність відома. Однак через використання ключів шифрування цивільні користувачі не можуть отримати доступ до даних на другій частоті. Найважливішими сферами застосування супутникової навігації є: геодезичні роботи, кадастрова зйомка: використання навігаційних систем для визначення точних координат меж земельних ділянок, картографія: створення карт за допомогою супутникових навігаційних систем, навігація: навігаційні системи використовуються для морської, дорожньої, авіаційної та інших видів навігації, супутниковий моніторинг транспортних засобів: використання навігаційних систем для відстеження місцезнаходження та швидкості транспортних засобів і контролю їх руху, місцезнаходження прстрою, геофізичні дослідження: використання навігаційних систем для моніторингу руху та коливань літосферних плит. Кожен регіон, який використовує певну систему супутникової навігації, має свої власні вимоги до точності позиціонування. Наприклад, у кадастрових роботах похибка не повинна перевищувати 10 сантиметрів. Натомість, у дорожній навігації зазвичай достатньо точності 5 метрів. Для задоволення цих вимог використовуються різні датчики та методи. Метою цієї роботи є розробка алгоритму фільтрації даних, отриманих від супутникових навігаційних систем, з використанням модуля супутникової навігаційної системи. Об'єкт дослідження – дані, отримані від супутникових навігаційних систем. Методом дослідження є фільтрація Калмана. Аналіз продуктивності фільтра Калмана. Вибір навігаційного модуля для отримання даних про місцезнаходження. Аналіз даних, відфільтрованих кожним модулем. 6 Практична цінність роботи полягає в обробці даних, отриманих за допомогою цього модуля, для зниження співвідношення сигнал/шум. Аналітичні та обчислювальні матеріали, представлені в ній, правильно та об'єктивно відображають стан досліджуваних процесівзв’язок, навігаційний модуль.A satellite navigation system consists of a group of several (from 2 to 30) orbiting satellites transmitting special radio signals, a ground control system and user receiving equipment (the so-called "satellite navigators"). To increase the accuracy of determining coordinates, a system of ground stations can be used, as well as systems that transmit precise coordinates and satellite clocks to the user. The position of the receiver in a satellite navigation system is calculated using the ranges of various satellite constellations. The radius of the sphere cannot be determined precisely due to factors such as delays in the ionosphere and troposphere, relativistic effects and the influence of received reflected signals. Without any correction, the positioning accuracy can reach 30-50 meters. [1] The following satellite navigation systems are currently in operation or are being prepared for deployment: NAVSTAR - GPS (Global Positioning System) - is a satellite navigation system that measures distance, time and determines location. It allows you to determine the position and velocity of any point on Earth (except for the polar regions) in almost any weather conditions, as well as the position and velocity of objects in outer space near the Earth. The system was developed, implemented and operated by the US Department of Defense. The basic principle of using this system is to determine the position by measuring the distance from a known coordinate point to the object. This distance is calculated based on the delay time required for the signal to travel from the satellite to the GPS receiving antenna. That is, to determine the three-dimensional coordinates, the GPS receiver needs to know the distances to three satellites and the GPS system time. Therefore, signals from at least four satellites are required to determine the coordinates and altitude of the receiver. 8 Each system broadcasts the same content on two frequencies. This is done in order to calculate the ionospheric delay, since the ionospheric delay depends on the frequency, and this dependence is known. However, due to the use of encryption keys, civilian users cannot access data on the second frequency. The most important areas of application of satellite navigation are: eodetic works, cadastral surveying: use of navigation systems to determine exact coordinates of boundaries of land plots, cartography: creation of maps using satellite navigation systems, navigation: navigation systems are used for marine, road, aviation and other types of navigation, satellite vehicle monitoring: use of navigation systems to track the location and speed of vehicles and control their movement, hive: if your phone has satellite navigation, you can find its location, geophysical research: use of navigation systems to monitor the movement and oscillations of lithospheric plates. Each region using a particular satellite navigation system has its own requirements for positioning accuracy. For example, in cadastral works, the error should not exceed 10 centimeters. In contrast, in road navigation, an accuracy of 5 meters is usually sufficient. To meet these requirements, various sensors and methods are used. The purpose of this work is to develop an algorithm for filtering data received from satellite navigation systems using the GNSS module. The object of research is data received from satellite navigation systems. The research method is Kalman filtering. Analysis of the performance of the Kalman filter. Selection of a navigation module for obtaining location data. Analysis of data filtered by each module. The practical value of the work lies in processing the data received using this module to reduce the signal-to-noise ratio. The analytical and computational materials presented in it correctly and objectively reflect the state of the processes under study