Принцип построения спутниковой радионавигационной системы, описание движения спутников. Глобальная система "НАВСТАР". Структура: космический сегмент, управление и потребители. Принцип дифференциального режима. Погрешности местоопределения и их анализ.
Аннотация к работе
Возможности аппаратуры в лаборатории спутниковой радионавигации, где и делается эта работа, позволяют принимать сигнал одновременно на две антенны двумя приемниками. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Передаваемые каждым НКА системы «НАВСТАР» в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат WGS-84, определяемой следующим образом: начало координат расположено в центре масс Земли; Поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения ИСЗ на достаточно большом интервале времени (примерно 1 час). Измерение характеристик движения, расчет элементов орбиты и передачу последних на борт навигационных ИСЗ для ретрансляции потребителям осуществляет система орбитальных измерении, состоящая из сети измерительных пунктов и координационно-вычислительного центра.Подкадр 4 (25 страниц) Слово TLM Слово HOW Альманах и состояние спутников с номерами 25-32, конфигурация спутников, признаки, данные ионосферы и всемирной шкалы времени (UTC), специальные сообщения, резервные разряды В формате (см. рисунок 2.1) после каждого слова имеется 6 проверочных битов, занимающих разряды 25-30 каждого слова. Каждая строка (страница) подкадров 1-5 начинается со слов TLM (первое слово), HOW (второе слово). 4 Слово 8 Разряды 17-24 WNT Восемь младших разрядов текущей недели, указанной в подкадре 1 словом 3 1 Недели Основными задачами, решаемыми аппаратурой потребителя, являются: выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и опознавание навигационных сигналов ИСЗ, введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания и фазе несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты, выделение и расшифровка содержания навигационного (информационного) сообщения, расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений, решение навигационной задачи (определение координат и составляющих вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и частот), отображение вычисленных данных на информационном табло.В автономном режиме с использованием C/A кода остаются ионосферные задержки, тропосферные задержки, эфимеридная ошибка, ошибки частотно-временной синхронизации, ошибки от внутренних и внешних шумов и ошибки изза многолучевости. Эксперимент проводился 04.12.2007 (08:29:44.00..10:29:42.00) измерения производились с испльзованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждую 1 секунду (всего за эксперимент было произведено 7198 измерительных эпох. Эксперимент проводился 04.12.2007 (06:02:35.00..08:02:30.00) измерения производились с использованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждые 5 секунд (всего за эксперимент было произведено 1439 измерительных эпох. Планирование работ по ДП заключается в составлении перечня работ, необходимых для достижения поставленных задач; определении исполнителей каждой работы; установлении продолжительности работ в рабочих днях; построении линейного или календарного графика. Для характеристики трудоемкости работы построим ленточный график выполнения работ, который приведен на рисунке 6.2.При выполнении дипломного проекта были получены следующие результаты. В том числе: - в автономном режиме с использованием C/A кода (псевдостатический режим); в дифференциальном режиме с использованием C/A кода (псевдостатический режим); Результаты экспериментов в псевдостатическом режиме представлены ниже. Результаты измерения в режиме с подвижной антенной (в том числе эксперименты с дискретно меняющейся высотой антенны вблизи затеняющей постройки) показаны на рисунках 5.5.5-5.5.8. гистограммы ошибок показаны на рисунках 5.5.10-5.5.17.
План
Содержание кадра Содержание подкадра
Введение
Темой работы является анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы (СРНС), работающей в дифференциальном режиме. И включает в себя оценку влияния расположения подвижного пункта в условиях городской застройки, а именно выяснение влияния процессов затенения и отражения навигационных сигналов на основе экспериментальных данных.
СРНС предназначены для всепогодного, пассивного, глобального, высокоточного навигационно-временного обеспечения всевозможных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближайшем космическом пространстве. В моем конкретном случае, использовались два приемника Ashtech SCA-12S, работающие с навигационной системой глобального позиционирования GPS.
Точность СРНС ухудшают ряд факторов, возникающих изза влияния атмосферных явлений и солнечной радиации на параметры спутниковых сигналов, ухода часов спутников и т.п. Такие ошибки можно значительно уменьшить, применив дифференциальный режим работы с использованием стационарного навигационного приемника, установленного в точке с заранее определенными координатами. Такой приемник называют базовым. С помощью этого приемника можно вычислять корректирующие значения погрешностей, возникающих в дальномерных спутниковых сигналах.
Возможности аппаратуры в лаборатории спутниковой радионавигации, где и делается эта работа, позволяют принимать сигнал одновременно на две антенны двумя приемниками. То есть для возможны следующие основные варианты получения экспериментальных данных: - простой прием и усреднение (в течение длительного времени);
- прием и дифференциальное уточнение;
- прием и дифференциальное уточнение с фазовой коррекцией.
Данная работа делается с целью выяснения того, причины каких именно погрешностей вносят наибольший вклад в ухудшение точности определения местоположения в условиях городской застройки.
Состав системы
Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов: космического сегмента;
сегмента управления (CS - control sеgшеnt);
сегмента потребителей.
Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60?. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА, которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55? и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.
Сегмент управления состоит из: Основной станции контроля и управления;
Резервной станция контроля и управления;
Четырех наземных антенн слежения;
Шести наземных станций слежения.
Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.
С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.
Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.
Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.
Передаваемые каждым НКА системы «НАВСТАР» в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат WGS-84, определяемой следующим образом: начало координат расположено в центре масс Земли;
ОСЬ Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);
ОСЬ Х направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, определенного Международным бюро времени (BIH);
ОСЬ Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.
Геодезические координаты точки в системе координат WGS-84 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в таблице 1.5.
Геодезическая широта В точки М определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора.
Геодезическая долгота L точки М определяется как угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку М. Положительное направление счета долгот - от нулевого меридиана к востоку.
Геодезическая высота Н определяется как расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки М.
Фундаментальные геодезические константы и основные параметры общеземного эллипсоида, принятые в системе координат WGS-84 приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Геодезические константы и параметры общеземного эллипсоида WGS-84
Угловая скорость вращения Земли 7.292115*10-5 радиан/с
Геоцентрическая константа гравитационного поля Земли с учетом атмосферы 398 600.5 км3/с2
Большая полуось эллипсоида 6 378 137 м
Коэффициент сжатия эллипсоида 1/298.257 223 563
Нормированный уровень коэффициента второй зональной гармоники потенциала (C20) -484. 16685*10-6
1. Спутниковые радионавигационные системы
1.1 Принцип построения
Успехи ракетной техники, приведшие к созданию мощных носителей, способных обеспечить вывод на орбиты вокруг Земли искусственных спутников Земли (ИСЗ), привели к идее использовать их для целей навигации кораблей. Суть идеи заключается в следующем: если источник радиоизлучения (т.е. радиомаяк) поместить на ИСЗ и знать координаты его в любой момент времени, то навигационную задачу можно решить так же, как и в случае маяков наземного базирования, если обеспечить измерение геометрических величин относительно маяков с привязкой к той же шкале времени [3].
Для реализации идеи необходимо было решить следующие проблемы: обеспечить определение текущих координат и получение эфемерид ИСЗ, которые позволяют рассчитывать координаты в любой момент времени вперед;
обеспечить доведение координат ИСЗ (эфемерид) до каждого потенциального потребителя навигационной информации;
обеспечить доведение до всех потребителей шкалы единого времени и синхронизацию работы всех включенных в систему ИСЗ.
Прежде чем рассмотреть варианты решения перечисленных проблем, остановимся на некоторых положениях космической баллистики для оценки характеристик траекторий движения ИСЗ.
Для длительного существования ИСЗ как небесного тела ему необходимо придать скорость, превышающую так называемую первую космическую скорость. Эта скорость равна, примерно, 7.8 км/с (при малых высотах спутника) и обеспечивает движение по круговой орбите; при увеличении скорости орбита становится эллиптической, причем эксцентриситет эллипса растет с ростом скорости. Величина первой космической скорости уменьшается при возрастании высоты ИСЗ над земной поверхностью, что приводит к увеличению времени обращения спутника вокруг Земли. Для круговой орбиты высотой Н период обращения Т характеризуется следующими выборочными значениями: Н = 250 км, Т = 89 мин; H = 1000 км, Т = 96 мин;
Н = 20240 км, Т = 12 час; Н = 35870 км, Т = 24 час.
1.2 Описание движения спутников
Координаты и составляющие вектора скорости спутников меняются очень быстро. Поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения ИСЗ на достаточно большом интервале времени (примерно 1 час). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации. Состав параметров аппроксимирующей модели определяет и состав навигационных сообщений спутников. Поэтому модель движения, принимаемая в системе для расчета траекторий движения ИСЗ, является одним из основных понятий, необходимых для изложения принципов ее функционирования [3].
Самой простой моделью движения ИСЗ является кеплеровская модель. В этой модели учитывается единственная сила притяжения, образуемая центральным полем тяготения Земли. Движение ИСЗ, задаваемое кеплеровской моделью, происходит в фиксированной плоскости. Текущие полярные координаты ИСЗ в этой плоскости R(t) и связаны между собой и с параметрами кеплеровской траектории р и е следующим образом:
(1.1)
где R(t) - расстояние;
- фокальный параметр;
е - эксцентриситет;
- угол, называемый истинная аномалия.
Текущие координаты R(t) и образуют вектор называемый радиус-вектор ИСЗ.
Для определения положения ИСЗ в каждый момент времени необходимо найти связь между истинной аномалией и временем t. В кеплеровской модели такая связь задается уравнением Кеплера, которое для эллиптической орбиты имеет вид:
(1.2) где - момент времени прохождения ИСЗ через перигей орбиты;
- большая полуось эллипса;
- гравитационный параметр Земли;
- эксцентрическая аномалия (промежуточная величина, тоже угол).
Решив последнее уравнение относительно для заданного момента времени , значение находится по формуле:
(1.3)
Если элементы , , дополнить величинами, характеризующими положение плоской орбиты относительно неподвижной геоцентрической системы координат Oxyz, то такая совокупность величин будет полностью определять кеплеровское движение ИСЗ.
В качестве параметров кеплеровской орбиты (кеплеровских элементов орбиты) наиболее часто используется следующая совокупностьвеличин (см. рисунок 1.1):
Рисунок 1.1 - Орбита спутника Земли и ее элементы наклонение плоскости орбиты относительно плоскости экватора - i;
прямое восхождение (или долгота) восходящего узла орбиты - ?;
угловое расстояние перигея орбиты от восходящего узла (аргумент перигея) ?;
эксцентриситет орбиты - с;
большая полуось эллипса - а время прохождения спутника через перигей орбиты - тп
Еще раз отметим, что указанная шестимерная совокупность параметров орбиты позволяет рассчитать координаты ИСЗ в любой момент времени в геоцентрической экваториальной системе координат Oxyz или любой другой, связанной с ней аналитическими зависимостями. В свою очередь, элементы орбиты рассчитываются по измененной шестимерной характеристике движения ИСЗ по орбите в определенный момент времени. Такой характеристикой могут быть три координаты и три проекции вектора скорости. Измерение характеристик движения, расчет элементов орбиты и передачу последних на борт навигационных ИСЗ для ретрансляции потребителям осуществляет система орбитальных измерении, состоящая из сети измерительных пунктов и координационно-вычислительного центра.
1.3 Навигационные определения
В СРНС второго поколения применяется дальномерно-доплеровский метод. В среднеорбитальных дальномерно-доплеровских СРНС определяются местоположение, величина и направление вектора скорости потребителя в любой момент времени и в любой точке на поверхности Земли и околоземного пространства. Для этого в системе обеспечивается одновременная связь потребителя не менее чем с четырьмя спутниками. Все спутники ведут синхронное излучение дальномерных сигналов (ошибки синхронизации малы и не превышают 10-20 нс). В аппаратуре потребителя измеряется задержка спутникового сигнала относительно меток времени местной шкалы, вырабатываемых в аппаратуре потребителя. Эта задержка складывается из задержки сигналов при распространении в пространстве и разницы хода часов на спутниках и аппаратуре потребителя. Произведение этой суммарной задержки на скорость распространения сигнала принятого называть псевдодальностью.
Обозначим координаты потребителя на момент приема через , а координаты j-го спутника на момент времени, предшествующий моменту приема на время распространения, - через . Тогда можно составить следующую систему нелинейных уравнений:
(1.4)
где - разница хода часов потребителя и спутникового времени;
- значение задержки спутникового сигнала относительно меток времени шкалы потребителя.
Если число спутников не менее четырех, то вышеуказанная система может быть разрешена относительно четырех неизвестных и .
Таким образом, помимо координат одновременно определяется . Необходимые для решения уравнения координаты спутников извлекаются из навигационных данных.
Предыдущее выражение можно переписать следующим образом:
(1.5) где
- измеренное значение дальности или псевдодальность;
Шкала времени спутника, и частота его несущего колебания задаются от одного и того же бортового генератора. Аналогично шкала времени приемника потребителя, и частота его гетеродина также задаются от эталона частоты приемника. Такое единство порождает связь расхождения шкал времени с расхождением частот:
(1.6) где - частота гетеродина приемника потребителя, рассматриваемая как функция времени в связи с относительно не высокой стабильностью эталона частоты приемника потребителя;
- частота несущего колебания спутника - полагается постоянной, поскольку формируется от гораздо более стабильного бортового генератора. Относительная стабильность бортовых генераторов СРНС составляет величину порядка ;
- начальная расстройка шкал времени.
Если продифференцировать выражение для расстояний по времени, то получим:
(1.7) умножив левую и правую части последнего равенства на где - длина волны несущей j-го спутника:
(1.8)
Для члена получаем:
(1.9)
В предположении, что номинальное значение частоты гетеродина приемника потребителя величина есть смещение частоты гетеродина относительно своего номинального значения.
С учетом (1.11) из (1.10) получаем:
(1.10)
где -измеренное значение доплеровского смещения частоты в аппаратуре потребителя.
Дифференцируя в (1.10) по времени, получаем систему уравнений относительно четырех неизвестных и :
необходимые решения этой системы значения находятся в результате обработки измерений псевдодальностей. Значения извлекаются из эфемеридных данных, сообщаемых спутниками. Таким образом, по мимо составляющих вектора скорости потребителя одновременно определяется [3].
2. СРНС «НАВСТАР»
Глобальная спутниковая система «НАВСТАР» предназначена для высокоточного определения пространственно-временных координат и составляющих скорости объектов-потребителей. Система разработана по заказу и находится под управлением МО (ВВС) США [5].
Система предоставляет два вида обслуживания [6]: 1. Standard Positioning Service (SPS) - стандартное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для гражданских пользователей;
2. Precise Positioning Service (PPS) - точное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для военных и авторизованных пользователей, имеет более высокую точность по сравнению с SPS.
Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений: · горизонталь 100 метров;
· вертикаль 156 метров;
· время 340 наносекунд.
Стандартное обслуживание по определению местоположения предоставляется с использованием сигнала «НАВСТАР» L1. Сигнал Ll передается всеми спутниками, входящими в состав группировки и содержит так называемый грубый код (С/А) и данные навигационного сообщения. Сигнал L1 также содержит точный код (P), который зарезервирован для военного использования и не является частью SPS.
Спутники «НАВСТАР» также передают сигнал L2, который не является частью SPS.
Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы: горизонталь 22 метра;
вертикаль 27.7 метров;
время 100 наносекунд.
Здесь приведены показатели точности «НАВСТАР» из Федерального плана радионавигации 1994 года. Приведенные показатели имеют точность 95% и выражают значение двух среднеквадратичных отклонений. Для горизонтальных рисунков (цифр, показателей) 95% точность - эквивалент 2 drms (two distance root-mean-squared), или два радиальных среднеквадратичных отклонения. Для вертикали и времени 95% точность - значение двух стандартных отклонений ошибки по высоте или ошибки по времени.
Изготовитель приемника может использовать другие меры точности. Среднеквадратичная (Root mean square - RMS) ошибка - значение одного среднеквадратичного отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка (Circular Eror Probable - СЕР) - значение радиуса круга, центрированного при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения. Вероятная сферическая ошибка (Spherical Eror Probable - SEP) - сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2 drms, drms или RMS; СЕР и SEP не подвержены воздействию больших грубых ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность указывается в RMS или СЕР без учета SA, делая эти приемники "более точными" чем те, в которых используются более консервативные меры ошибки.
2.1 Структура системы
Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов: космического сегмента;
сегмента управления (CS - control sеgшеnt);
сегмента потребителей.
Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60?. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА, которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55? и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.
Сегмент управления состоит из: Основной станции контроля и управления;
Резервной станция контроля и управления;
Четырех наземных антенн слежения;
Шести наземных станций слежения.
Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.
С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.
Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.
Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.
2.2 Навигационный радиосигнал
В системе «НАВСТАР» используется кодовое разделение сигналов (CDMA), все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы «НАВСТАР» излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет , а второго . Сигнал несущей частоты , модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путем суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных (сигнал с частотой 50 Гц, состоящий из информационных разрядов, которые описывают орбиты спутников системы «НАВСТАР», синхронизируют коррекцию и другие параметры системы), формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р (precise) или засекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/А (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.
Радиосигнал на частоте бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.
Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/А и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.
Кроме описанных дальномерных кодов Р, Y, C/A в системе «НАВСТАР» предусмотрены нестандартные коды С/А (NSC) и Y(NSY), которые формируются при появлении неисправностей в бортовой аппаратуре какого-либо НИСЗ. Нестандартные коды отличаются от кодов исправных НИСЗ и не могут быть декодированы потребителем. Применение NSC и NSY в системе обеспечивает защиту потребителей от использования неправильной информации.
Каждый из сигналов, излучаемых на частотах и , представляет собой ФМ несущую, манипуляция которой выполняется навигационным кодом, труднообнаруживаемым для военных и легкообнаруживаемым для гражданских. В первом случае используется сложный псевдошумовой код, обеспечивающий высокую точность местоопределения, скрытность, защиту от искусственных помех. Разделение излучений НИСЗ - кодовое (CDMA), каждый из них излучает свой навигационный код. Разделение сигналов одного и того же НИСЗ, излучаемых на частоте , фазовое (фазовый сдвиг ).
Навигационный код образуется из дальномерного кода и кода двоичной служебной информации D (data) путем их сложения по модулю 2. Легкообнаруживаемый дальномерный код С/А - код пониженной точности - имеет частоту синхронизации 1,023 МГЦ и период 1 мс. Высокоточный защищенный дальномерный код Р и излучаемый вместо него код Y (когда требуется препятствовать применению уводящей помехи при работе по сигналу Р) имеют одинаковую частоту синхронизации, равную 10,23 МГЦ, на порядок более высокую, чем у кода С/А.
2.3 Структура навигационного сообщения
В настоящем разделе описывается смысловое содержание и формат навигационного сообщения, передаваемого НКА «НАВСТАР» в навигационном радиосигнале.
Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА «НАВСТАР» навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.
Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит: оцифровку меток времени НКА;
сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР»;
относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;
эфемериды НКА и другие параметры.
Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя: данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);
сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР» (альманах фаз);
параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);
сдвиг шкалы времени системы «НАВСТАР» относительно UTC(SU) и другие параметры. Это значение может использоваться приемником, чтобы установить UTC с точностью в пределах 100 ns.
Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/сек. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мсек.
Кадр состоит из пяти подкадров. Подкадры с 1 по 3 содержат по 300 информационных символов. Триста информационных символов разделяются на 10 слов по 30 символов в слове.
Подкадры 4 и 5 содержат по 25 страниц. Каждая страница состоит из 300 информационных символов (или разрядов), которые также разделены на 10 слов по 30 символов в слове.
Таким образом, сформированных кадр всегда содержит 1, 2, 3 подкадры, одну страницу из подкадра 4 и одну страницу из подкадра 5.
Поскольку каждая строка или страница имеет объем 300 символов, длительность символа 20 мсек, то время передачи кадра из пяти подкадров составляет 30 сек, время передачи строки (страницы)- 6 сек, время передачи всего со общения (25 кадров) - 12.5 мин. Период повторения подкадров 1-3 составляет 30 сек, периоды повторения страниц из подкадров 4 и 5 большее время, что обусловлено значимостью передаваемой информации. Формат сообщений подкадров 1-3 и строк (страниц) подкадров 4, 5 изображен на рисунке 2.1.
Всего 300 бит (старшие разряды слева, младшие справа)
Слово 1 Слово 2 Слово 3 Слово 4 Слово 5 Слово 6 Слово 7 Слово 8 Слово 9 Слово 10
Расположение информации, передаваемой с навигационного спутника системы «НАВСТАР» приведено на рисунке 2.2.
Вывод
В автономном режиме с использованием C/A кода остаются ионосферные задержки, тропосферные задержки, эфимеридная ошибка, ошибки частотно-временной синхронизации, ошибки от внутренних и внешних шумов и ошибки изза многолучевости.
При оценочных расчетах, ошибка в таком режиме составляет 70-100 метров. Метод временного усреднения позволяет исключить тропосферные ошибки что приводит к существенному улучшению точности до единиц метров.
В автономном режиме с использованием P кода устраняются ошибки: эфимеридная, частотно-временная и ионосферная. Таким образом, оценочная точность повышается до 20-30 сантиметров.
В дифференциальном режиме устраняются ионосферные задержки, ошибки часов спутника, эфимеридная ошибка. Таким образом, оценочная точность при использовании фазовой коррекции в этом методе становится равна 20-30 сантиметров. При этом, при использовании временного усреднения, можно исключить непостоянную составляющую ионосферной ошибки и тропосферную ошибку, что приводит к снижению уровня ошибки до 10-15 сантиметров.
Первый этап проводился с целью выяснения эффективности временного усреднения. Для этого использовался комплект аппаратуры Z12 (SCA-12) состоящий из одного приемника.
Второй этап проводился с целью выяснения использования дифференциального режима и дифференциального режима с фазовым уточнением. Для этого использовался комплект аппаратуры Z12 (sca-12) состоящий из двух приемников.
Третий этап проводился с целью выяснения влияния затенения и переотражения навигационных сигналов городской застройкой. Для этого использовался комплект аппаратуры Z12 (SCA-12) состоящий из двух приемников.
5.2 Аппаратура
Работа дифференциального режима АП оценивалась с помощью комплекта аппаратуры, состоящей из двух приемников сигналов СРНС «Навстар» Z12. Первый приемник выступал в роли базовой (корректирующей) станции, формирующей дифференциальные поправки. Вторым приемником производились измерения координат с учетом дифференциальных поправок, передаваемых по радиоканалу с базовой станции.
Приемник Z12 имел следующие технические характеристики.
1. Приемник Z12 фирмы Ashtech (сертифицирован и разрешен к применению в РФ) является 36 канальным Р-кодовым приемником (12 параллельных каналов по С/А-коду, частота L1; 12 параллельных каналов по Р-коду, частота L1; 12 параллельных каналов по Р-коду, частота L2) сигналов системы GPS "Навстар" с двухбитным аналого-цифровым преобразованием сигнала.
2. В приемнике используется специальная Z-технология для подавления зашумления Р-кода (Anti-Spoofing - A/S).
3. Точность измерения линий в режиме СТАТИКА, БЫСТРАЯ СТАТИКА, КИНЕМАТИКА, ПСЕВДОКИНЕМАТИКА составляет 5мм 1мм/км.
4. Определение координат выполняется в реальном времени, без последующей обработки, с точностью не хуже 3 см.
5. Время измерений составляет 0,5 секунды на одно независимое измерение.
6. Дальность в дифференциальном режиме достигает значений 50 км в зависимости от используемого радиооборудования.
7. Время старта составляет не более 2 минут (от включения до начала съемки) и не более 30 секунд с текущими эфемеридами.
8. Сбор данных осуществляется во внутреннюю память приемника.
9. Программное обеспечение приемника обеспечивает сверхбыстрые определения координат.
Радиоканал для передачи дифференциальных поправок был организован на радиомодемах RF96 c мощностью излучения 20 Вт на частоте 412 МГЦ.
5.3 Измерения в автономном режиме
5.3.1 Общие сведения об эксперименте
Погрешности измерений подразделяют на грубые погрешности и промахи, систематические и случайные погрешности. Грубые погрешности и промахи появляются или в результате просчета наблюдателя при проведении опыта, или при проведении расчета, или в связи с резким изменением условий эксперимента и т. п. Исключение грубых погрешностей и промахов осуществляется путем повторения опыта и расчета. Поэтому можно полагать, что при многократных повторениях эксперимента эти погрешности исключаются.
Систематическими погрешностями называются погрешности, которые остаются неизменными или изменяющимися закономерным образом при повторении измерения значения величины.
Систематические погрешности чаще всего связаны с методикой измерений или обусловлены инструментальной погрешностью средств измерений. В первом случае обнаружить систематическую погрешность можно, применив различные методики измерений. Во втором - поставив ряд опытов в одной и той же точке с заранее известным эталоном. В результате измерений эталона можно найти поправку к показаниям прибора и устранить тем самым инструментальную погрешность. Таким образом все систематические погрешности вполне устранимы.
Случайными называются погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторении эксперимента. Случайные погрешности, вообще говоря, неустранимы. Однако многократным повторением измерений значение измеряемой величины может быть получено сколь угодно близким к ее точному значению.
При постановке эксперимента необходимо принять во внимание случайный характер результатов измерения. В связи с этим возникает вопрос о числе измерений, достаточном для получения надежных данных о свойствах объекта. Если результатом должны быть числовые характеристики изучаемого объекта или процесса, то число измерений может быть достаточно малым, порядка нескольких десятков. Если результатом должны быть сведения о статистических свойствах объекта исследования, то число измерений имеет порядок величины или даже большее. Для того чтобы выявить статистические характеристики необходимо разбить весь диапазон изменения наблюдаемой величины х на интервалы , которые также называются разрядами. Оптимальное число разрядов к зависит от числа измерений n и ориентировочно его можно определить по формуле:
(3.1)
Положение разрядов выбирают так, чтобы среднее из наблюдаемых значений величины лежало близко к середине соответствующего разряда.
Очевидно, все измеренные значения можно распределить по разрядам. Каждый из разрядов будет характеризоваться значением , принятым для данного разряда. В результате можно построить таблицу распределения
В первом столбце таблицы записаны значения , принятые для данного разряда, а во втором - число измерений (частота попадания величины х в область j - разряда). Графически таблицу распределения можно представить в виде гистограммы.
5.3.2 Методика измерений
В течение длительного промежутка времени (недели) с помощью приемника Ashtech SCA - 12 проводились измерения координат антенны.
Принимаемый сигнал от спутников поступал от антенны на приемник где производилась его частичная обработка. Далее через драйвер последовательного порта RS-232 информация от приемника поступала на ЭВМ со скоростью одно сообщение в секунду, где с помощью программы Eval 32 проводилась автоматическая запись всей информации в текстовый файл, а так же обработка полученных данных. Поступающие данные содержали информацию: О количестве «видимых» КА;
Номере каждого «видимого» КА;
Угол места и азимут КА относительно антенны;
Отношение сигнал - шум;
А так же используется ли КА в измерении координат;
Координаты антенны приемника.
Так же если ввести координаты антенны в программу, то можно наглядно увидеть отклонение определения координат от заданных и не только посмотреть, но и оценить их количественно.
При дальнейшей обработке записанных данных из текстового файла данные заносились MS Excel где и производилась их окончательная обработка.
Так как информация от приемника к ЭВМ поступает со скоростью одно сообщение в секунду, то было принято решение делать три вида выборки отсчетов из всей совокупности, то есть отсчеты с секундной выборкой, 5-ти минутной и часовой.
5.3.3 Результаты измерений
В результате обработки были найдены средние значения широты, долготы и высоты, оценены средние квадратичные отклонения (СКО), которые приведены в таблице 3.1. Так же построены гистограммы измеренных значений для двух случаев, приведенные на рисунке 3.1 - 3.2
Таблица 3.1 - Результаты эксперимента.
1 сек 1 час
Среднее значение широты 56?27’6.50’’ 56?27’6.52’’
Среднее значение долготы 84 57’43.18’’ 84 57’43.19’’
Среднее значение высоты (м) 131,83 131,85
СКО широты (м) 2.31 1.46
СКО долготы (м) 1.75 1.61
СКО высоты (м) 2.15 2.17
Рисунок 3.1 - Гистограммы посекундной выборки.
Рисунок 3.2 - Гистограммы часовой выборки.
Огибающие гистограмм на рисунке 3.1, 3.2 отличаются от нормального закона. Возможно, это связано с тем, что на данном интервале времени измеренные значения носят не случайный характер, а состоят из случайной и систематической составляющей. Если взять измерения на более большом интервале времени (например, месяц), то систематическая составляющая тоже будет носить случайный характер, и форма кривой будет в большей степени соответствовать нормальному закону распределения.
5.4 Измерения в дифференциальном режиме
5.4.1 Методика измерений
В течение фиксированых отрезков времени с помощью двух приемников Ashtech SCA - 12 проводились измерения координат АП.
Принимаемый сигнал от спутников поступал от антенн на приемники где производилась его частичная обработка.
Далее через последовательные порты и драйверы RS-232 информация от приемника поступала на ЭВМ сразличной скоростью сообщений в секунду, где с помощью программы PRISM проводилась автоматическая запись всей информации, а так же обработка полученных данных.
5.4.2 Первый эксперимент
Эксперимент проводился 03.12.2007 (09:09:25.00 .. 11:08:35.00) с использованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждые 5 секунд (всего за эксперимент было произведено 1430 измерительных эпох. Антенна АП была выставлена в юго-восточное окно лаборатории.
СКО в автономном режиме
Широта (м): 3.941485
Долгота (м): 3.170840
Высота (м): 3.146738
СКО в дифференциальном режиме
Широта (м): 0.257843
Долгота (м): 0.727183
Высота (м): 0.203372
СКО в дифференцильном режиме с использованием фазового уточнения Широта (м): 0.159712
Долгота (м): 0.524596
Высота (м): 0.171184
5.4.3 Второй эксперимент
Эксперимент проводился 03.12.2007 (06:26:20.00 .. 08:25:20.00) с испльзованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждые 20 секунд (всего за эксперимент было произведено 357 измерительных эпох. Антенна АП была выставлена в юго-восточное окно лаборатории.
СКО в автономном режиме
Широта (м): 1.101042
Долгота (м): 1.256856
Высота (м): 1.383968
СКО в дифференциальном режиме
Широта (м): 0.198202
Долгота (м): 0.371975
Высота (м): 0.084000
Ско в дифференцильном режиме с использованием фазового уточнения
Широта (м): 0.128189
Долгота (м): 0.315991
Высота (м): 0.103652
5.4.4 Третий эксперимент
Эксперимент проводился 04.12.2007 (08:29:44.00..10:29:42.00) измерения производились с испльзованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждую 1 секунду (всего за эксперимент было произведено 7198 измерительных эпох. Антенна АП была выставлена в северное окно лаборатории.
СКО в автономном режиме
Широта (м): 3.305110
Долгота (м): 3.144579
Высота (м): 2.473976
СКО в дифференциальном режиме
Широта (м): 0.278446
Долгота (м): 0.706456
Высота (м): 0.242687
Ско в дифференцильном режиме с использованием фазового уточнения
Широта (м): 0.138257
Долгота (м): 0.403907
Высота (м): 0.165313
5.4.5 Четвертый эксперимент
Эксперимент проводился 04.12.2007 (06:02:35.00..08:02:30.00) измерения производились с использованием двух приемников Ashtech SCA-12S через каждые 5 секунд (всего за эксперимент было произведено 1439 измерительных эпох. Антенна АП была выставлена в северное окно лаборатории.
СКО в автономном режиме
Широта (м): 2.721036
Долгота (м): 2.875924
Высота (м): 2.966014
СКО в дифференциальном режиме
Широта (м): 0.183720
Долгота (м): 0.465383
Высота (м): 0.143673
Ско в дифференциальном режиме с использованием фазового уточнения
Широта (м): 0.143506
Долгота (м): 0.377042
Высота (м): 0.119360
5.4.6 Результаты измерений
Второй эксперимент наглядно показал, что использование фазового уточнения помогает значительно улучшить точность измерения даже при условии слабой видимости спутников (5-7). Это легко увидеть из всех экспериментов этого цикла. Фазовое уточнение улучшает точности и при длительных измерениях и при более кратковременных. Это связано в первую очередь с тем, что дифференциальная поправка формируемая на базовой станции вычисляется более точно. На основании эксперимента, необходимо сделать вывод что фазовое уточнение это хороший способ улучшения точносных характеристик, способный увеличить точность с десятков сантиметров до единиц сантиметров.
5.5 Измерения с помощью подвижной станции 1
5.5.1 Описание приемных позиций базовой и подвижной станций
Схема расположения позиций приведена на рисунке 8.1, на котором изображен фрагмент карты, соответствующий южной части г. Томска. Позиции расположения подвижных станций обозначены цифрами 1, 2, 3 и 4. Эта часть города характеризуется малоэтажной городской застройкой (2-5 этажей). Имеются также кустарники и деревья высотой не более 10-15 м.
Антенна базовой станции (АБС) располагалась на крыше ориентированного с севера на юг двухэтажного здания НИИ РТС и не имела каких либо препятствий для приема сигналов СРНС. Ее высота составила 116 м над уровнем моря. На крыше этого же здания размещалась антенна радиомодема.
Измерения координат проводились на всех четырех позициях подвижной станции при изменении положения антенны АП (приемника Z12) по высоте. Позиции, на которых производились измерения, выбирались исходя из возможности использования различной городской застройки для создания отражений при приеме сигналов СРНС, а также их затенения.
Антенна АП располагалась на телескопической мачте, размещенной на КУНГЕ автомобиля ГАЗ-66 и могла перемещаться по высоте.
На позиции 1 (рисунок 5.5.2) антенна АП находилась на расстоянии 20 м от двухэтажного здания в восточном направлении.
На позиции 2 (рисунок 5.5.3) антенна АП располагалась вблизи двухэтажного здания на расстоянии 3,5 м от стены и 37 м от пятиэтажного здания в южном направлении.
Антенна АП на третьей позиции находилась в юго-западном направлении на расстоянии 12 м от угла двухэтажного здания .
Четвертая позиция была открытой и располагалась на высоком берегу реки Томь.
5.5.2 Методика измерений
Измерения координат на каждой позиции проводились при различной высоте антенны АП, которая изменялась ступенчато с помощью телескопической мачты. На каждой высоте в память приемника записывался десятиминутный сеанс данных. На первой и второй позициях измерения проводились дважды в различное время суток. Записанные сеансы содержали в себе взятые через пять секунд отсчеты радионавигационных параметров принимаемых сигналов СРНС, по которым в процессе обработки рассчитывались средние координаты и среднеквадратические отклонения от средних.
5.5.3 Результаты оценки влияния отражений вблизи АП а точность дифференциальной системы
Зависимость ошибки определения местоположения выносной антенны АП приемника Z12 СРНС «Навстар» от высоты над уровнем моря для двух серий измерений на позиции 1, проведенных в разное время суток, показана на рисунке 5.5.5
Аналогичные зависимости приведены на рисунках 5.5.6 - 5.5.8 для позиции 2, позиции 3 и позиции 4, соответственно.
а)
б)
Рисунок 5.5.5 - Зависимость ошибки определения местоположения выносной антенны приемника Z12 СРНС «Навстар» от высоты над уровнем моря (1 - ошибка по координате X, 2 - ошибка по координате Y, 3 - ошибка по координате Z) на позиции 1 а) 16.07.07, б) 23.07.07
а)
б)
Рисунок 5.5.6 - Зависимость ошибки определения местоположения выносной антенны приемника Z12 СРНС «Навстар» от высоты над уровнем моря (1 - ошибка по координате X, 2 - ошибка по координате Y, 3 - ошибка по координате Z) на позиции 2 а) 18.07.07, б) 20.07.07
Рисунок 5.5.7 - Зависимость ошибки определения местоположения выносной антенны приемника Z12 СРНС «Навстар» от высоты над уровнем моря (1 - ошибка по координате X, 2 - ошибка по координате Y, 3 - ошибка по координате Z) на позиции 3
Рисунок 5.5.8 - Зависимость ошибки определения местоположения выносной антенны приемника Z12 СРНС «Навстар» от высоты над уровнем моря (1 - ошибка по координате X, 2 - ошибка по координате Y, 3 - ошибка по координате Z) на позиции 4
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Величина ошибки при местоопределении положения подвижной станции в малоэтажной застройке изза влияния местных предметов составляет 1,5-2,5 м.
2. Величина ошибки местоопределения непостоянна и зависит от высоты антенны по отношению к застройке и другим местным предметам, а также от конкретной реализации группировки навигационных КА.
3. Детальный анализ ошибок местоположения необходим в случае требования по точности менее 2,5 м.
4. Если допустимая ошибка составляет порядка 2,5 м, основные проблемы использования спутниковых радионавигационных систем будут связаны с прерыванием приема сигналов навигационных КА изза зданий большей этажности, чем использованная при проверке.
5.6 Измерения с помощью подвижной станции 2
5.6.1 Описание приемных позиций базовой и подвижной станций
Оценка погрешностей при использовании дифференциального режима измерения координат выполнялась также на одночастотной АП системы GPS типа Ashtech SCA-12/12S. Измерения проводились в 433 аудитории учебного радиотехнического корпуса ТУСУР. Антенна АП располагалась вблизи стены здания, на крыше которого была установлена антенна опорной станции в точке с координатами: широта=56? 27.10862’; долгота=084? 57.71968’.
Измерения выполнялись в двух точках (положения №1 и №2, рисунок 5.5.9), расположенными на четвертом этаже четырехэтажного здания, ниже крыши на 2 м. Первая точка расположения антенны приемника СРНС была удалена от стены здания на 0,34 м, вторая - на 1,97 м.
Рисунок 5.5.9 - Взаимное расположение антенн базовой и выносной станций
5.6.2 Методика измерений
Измерения проводились сеансами по 30 минут (1800 отсчетов). При проведении измерений количество спутников в рабочем созвездии выносной станции изменялось от 3 до 6. Основные результаты измерений представлены на рисунках 5.5.10-5.5.13 (положение №1) и рисунках 5.5.14-5.5.17 (положение № 2) в виде гистограмм значений широты и долготы, приведенных к относительным линейным единицам. На гистограммах представлены числовые характеристики: средние и среднеквадратические значения.
5.6.3 Результат измерений
Рисунок 5.5.10 - Гистограмма широты антенны выносной станции, расположенной на удалении 0,34 м от стены здания
Рисунок 5.5.11 - Гистограмма широты антенны выносной станции, расположенной на удалении 1,97 м от стены здания (положение №1)
Рисунок 5.5.12 - Гистограмма долготы антенны выносной станции, расположенной на удалении 0,34 м от стены здания (положение №1)
Рисунок 5.5.13 - Гистограмма долготы антенны выносной станции, расположенной на удалении 1,97 м от стены здания (положение №1)
Рисунок 5.5.14 - Гистограмма широты антенны выносной станции, расположенной на удалении 0,34 м от стены здания (положение №2)
Рисунок 5.5.15 - Гистограмма широты антенны выносной станции, расположенной на удалении 1,97 м от стены здания (положение №2)
Рисунок 5.5.16 - Гистограмма долготы антенны выносной станции, расположенной на удалении 0,34 м от стены здания (положение №2)
Рисунок 5.5.17 - Гистограмма долгот антенны выносной станции, расположенной на удалении 1,97 м от стены здания (положение №2)
По полученным данным были рассчитаны расстояния между антеннами выносных станций в положении №1 и №2, базовой и выносной антенной в положении №1, базовой и выносной антенной в положении №2 и получены следующие значения (в скобках указаны геометрические расстояния).
На удалении 0,34 м от стены: - между антеннами выносных станций в положении №1 и №2: 8,02м (7,93м), - между антеннами базовой станцией и выносной в положении №1: 9,12м (9,85м), - между антеннами базовой станцией и выносной в положении №2: 9,47 м (11,25 м).
На удалении 1,97 м от стены: - между антеннами выносных станций в положении №1 и №2: 8,43 м (7,93 м), - между антеннами базовой станцией и выносной в положении №1: 12,25 м (11,44 м), - между антеннами базовой станцией и выносной в положении №2: 12,67 м (11,37 м).
Результаты измерений показывают, что случайные погрешности при расположении антенны вблизи стены здания велики (?~1?3 м), при удалении от здания на 2 метра они уменьшаются: в положении №1 по широте в 1,45 раз, по долготе в 1,97 раз и в положении №2 в 1,53 раз, 5,61 раз соответственно. Большие смещения, по-видимому, вызваны малым числом спутников в рабочем созвездии для выносной станции.
6. Организационно-экономическая часть
6.1 Технико-экономическое обоснование работы
Данная дипломная работа носит научно-исследовательский характер (НИР связана с проведением экспериментов, установлением определенных физических зависимостей и т.п.). Главной целью работы является анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы с использованием контрольных экспериментов.
Актуальность и необходимость проведения работ заключается в определении наиболее простого (дешевого) пути для уменьшении погрешности определения координат потребителя за счет методологических усовершенствований.
Для большей значимости данной работы используются реальные экспериментальные данные, затраты на которые незначительны по сравнению с затратами полного объема возможных работ.
Целесообразность выбора темы НИР и методов исследования на основе изучения литературы и научной информации основана на упрощении и удешевлении процесса обработки полученной информации и получении удобоваримой для понимания информации.
6.2 Планирование работ по разработке темы
Планирование работ по ДП заключается в составлении перечня работ, необходимых для достижения поставленных задач; определении исполнителей каждой работы; установлении продолжительности работ в рабочих днях; построении линейного или календарного графика.
Прежде всего, необходимо правильно установить оптимальную величину работ по теме. При расчленении темы на крупные этапы план-график работ становится слишком общим. При слишком дробной детализации он трудно воспринимается. Поэтому в каждом отдельном случае следует найти оптимальную степень разбивки темы на отдельные этапы и работы, что обеспечит возможность эффективного контроля и управления за разработкой. Перечень этапов и работ приведен в таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Перечень этапов и работ.
Этап проведения НИР Вид работ
Разработка ТЗ Составление и утверждение ТЗ на НИР
Выбор направления исследования Сбор и изучение научно-технической литературы, нормативно-технической документации и др. материалов, относящихся к теме работы. Составление аналитического обзора состояния вопросов по теме. Формулирования возможных направлений решения задач, поставленных в ТЗ НИР и их сравнительная оценка. Выбор и обоснование принятого направления проведения исследований (программы работ, плана-графика).
Теоретические и экспериментальные исследования Разработка рабочих гипотез, построение моделей объекта исследования, обоснование допущений. Выявление необходимости проведения экспериментов для подтверждения отдельных положений теоретических исследований. Разработка частных методик проведения экспериментальных исследований. Подготовка моделей (макетов, экспериментальных образцов), а также испытательного оборудования, необходимых для проведения экспериментальных исследований. Проведение экспериментов, обработка полученных данных Сопоставление результатов экспериментов с теоретическими исследованиями. Корректировка теоретических моделей исследований. Проведение дополнительных экспериментов (при необходимости).
Обобщение и оценка результатов исследования Обобщение результатов предыдущих этапов работы. Оценка полноты решения поставленных задач. Проведение дополнительных исследований, в том числе патентных (при необходимости). Разработка рекомендаций по исследованию результатов проведения НИР. Формулировка требований ТЗ на последующие НИР и ОКР. Составление и оформление отчета. Рассмотрение результатов проведенной НИР и приемка работ в целом.
Для планирования работ наиболее удобным является ленточный график планирования работ. Для построения ленточного графика необходимо рассчитать трудоемкость работ, это наиболее ответственная частью работ, так как трудозатраты составляют основную часть стоимости работы.
Предположим, что в разработке эскизного проекта будут принимать участие два человека: руководитель и инженер. Руководитель будет осуществлять постановку задачи, проверять ход работ и давать необходимые консультации, советы при разработке проекта. Инженер будет выполнять комплекс работ: изучение материалов, выбор вариантов построения этапов работы, разработка программного обеспечения, разработку документации.
Длительность этапов работ, выполняемых при разработке системы, приведен в таблице 6.2.
Для определения ожидаемой продолжительности работ применим формулу 6.1. Эта формула основана на использовании трех вероятностных оценок: ,(6.1) где - кратчайшая продолжительность данной работы (оптимистическая оценка);
- самая большая продолжительность работы (пессимистическая оценка);
- наиболее вероятная, по мнению экспертов, оценка продолжительность работ (реалистичная оценка).
Таблица 6.2 - Длительность этапов работ
Наименование этапа работ Исполнители
1) Составление и утверждение темы диплома Руководитель 1 2 2 2
Инженер 2 3 3 3
2) Подбор и изучение литературы по тематике Руководитель 4 5 6 5
Инженер 12 15 18 15
3) Определение источников погрешностей Руководитель 3 4 4 4
Инженер 7 10 10 10
4) Анализ ранее полученных данных Руководитель 2 4 4 4
Инженер 6 12 14 11
5) Создание и отладка программ Инженер Программист 1 10 12 12 2 14 2 12
10) Согласование и утверждение документов Инженер 3 4 5 4
Общая длительность работ Руководитель Программист Инженер 11 10 50 20 12 75 18 14 87 17 12 69
Для характеристики трудоемкости работы построим ленточный график выполнения работ, который приведен на рисунке 6.2.
Таблица 6.2 ? Ленточный график выполнения работ
Руководитель Инженер Программист
6.3 Расчет затрат на разработку темы
Проводим расчет сметной стоимости разработки. Целью планирования себестоимости проведения работ является экономически обоснованное определение величины затрат на ее выполнение. В плановую себестоимость включаются все затраты, связанные с ее выполнением независимо от источника их финансирования. Определение затрат производится путем составления калькуляции плановой себестоимости. Смета затрат на разработку состоит из прямых и накладных расходов.
Смета затрат на проектирование: материалы и комплектующие;
основная и дополнительная з/плата исполнителей;
отчисления во внебюджетные фонды;
прочие прямые расходы;
накладные расходы.
Затраты на вспомогательные материалы рассчитываются по формуле.
,(6.2) где - количество вспомогательных материалов;
- цена на вспомогательные материалы.
Расчет затрат на материалы ( ) приведены в таблице 6.3. Исходными данными для данного расчета являются нормы расхода каждого вида ресурсов.
Таблица 6.3 - Материальные ресурсы
Вид ресурса Количество единиц Цена за единицу, руб. Общие затраты, руб.
Печать демонстрационных листов 6 40 240
Канцелярские товары 5 12 60
Бумага (формат А0) 6 5 30
Бумага (формат А4) 1 пачка 105 105
Программное обеспечение - 30 дневная версия Windows и Microsoft Office 1 300 300
Итого: 735
На статью “Основная и дополнительная з/плата” относится з/плата научных сотрудников, инженеров (дипломников), лаборантов, научных руководителей.
Размер основной з/платы устанавливается, исходя из численности исполнителей, трудоемкости и средней з/платы за один рабочий день (таблица 6.4).
Средняя з/плата за один рабочий день определяется по формуле
, (6.3) где - месячный оклад исполнителя;
- фонд времени в днях (23 рабочих дня в месяц при 5-ти дневной рабочей неделе).
Для расчета месячных окладов исполнителей использовалась тарифная сетка по оплате труда работников бюджетных организаций и данные их должностных окладов.
Руководитель имеет 16 разряд, инженер - 10 разряд. По ЕТС оклад руководителя составит 2808 рублей, а инженера - 1764 рублей.
Дополнительная з/плата состоит из районного коэффициента, установленного для региона, на территории которого студент проходит преддипломную практику и дипломирование (в данном случае 30 %).
Результаты расчетов затрат на оплату труда исполнителей сведены в таблицу 6.4.
Таблица 6.4 - Расчет з/платы исполнителей.
Исполнители Трудоемкость, дней Месячный оклад, руб. Среднедневная з/плата, руб. Сумма основной з/платы, руб. Доп. зарплата, руб. Общая сумма з/платы, руб.
Инженер 75 1764 76,70 5752,50 1725,80 7478,30
Программист 12 1764 76,70 920,40 276,10 1196,50
Руководитель 20 2808 122,10 2441,72 732,50 3174,22
Итого: 8114,62 2734,40 11849,02
По Налоговому Кодексу от 1.01.2001 социальный налог взимается в процентах от основной и дополнительной заработной платы в размере 26%. Рассчитаем по формуле: ,(6.4) где ЗП - общая основная и дополнительная з/плата с учетом районного коэффициента;
- отчисления по единому социальному налогу (=0.26). 3080,75 руб.
Размер страхового тарифа по обязательному социальному страхованию для сотрудников вузов равен 0,2% от основной и дополнительной заработной платы. Что составляет 23,70 рублей.
Фонд заработной платы рассчитывается по формуле
(6.5)
14953,46 руб.
На статью “Прочие прямые расходы” относятся затраты на аренду помещения, в котором выполняется проект, амортизацию.
Рассчитаем отчисления на амортизацию. Затраты на амортизацию вычислительной техники и принтера определяются по формуле: ,(6.6) где - балансовая стоимость вычислительной техники;
- коэффициент годовой амортизации техники ( =0,2);
- время работы ( дней);
? эффективный фонд времени работы оборудования (365 дней для компьютера).
Балансовая стоимость вычислительной техники определяется следующим выражением: ,(6.7) где - исходная стоимость вычислительной техники (20 000 руб.);
- количество лет от покупки (3 года).
По последней формуле, определим балансовую стоимость вычислительной техники и затраты на амортизацию: руб.
Расчет арендной платы. Арендную плату с учетом стоимости коммунальных услуг рассчитаем исходя из формулы: ,(6.8) где S - площадь арендуемого помещения, S = 9 ;
А - величина годовой арендной платы, А = 2160 руб/м2 с учетом затрат на электроэнергию и тепло;
В - время работы, B = 75 дней. руб.
Расчет затрат на электроэнергию. Расчет затрат на электроэнергию произведем по формуле: ,(6.9) где - установленная мощность, КВТ;
- время работы оборудования, час;
= 0,85 руб. за КВТ/час.
Расчет сведем в таблицу 6.5.
Таблица 6.5 - Затраты на электроэнергию
Название оборудования Потребляемая мощность, КВТ Количество часов работы, час Сумма, руб.
Персональный компьютер 0,28 600 168
Принтер 0,13 15 1,95
На статью “Накладные расходы” относятся затраты на управление и хозяйственное обслуживание при разработке проекта. Размеры накладных расходов планируются в размере от суммы всех прямых затрат на разработку научно-технического продукта в размере, установленном плановыми службами организации, где студент проходит преддипломную практику и дипломирование.
, (6.10) где - прямые расходы, руб.;
руб.
В таблице 6.6 приведена смета всех затрат на проектирование, где накладные расходы, рассчитываются как 20% от всех прямых затрат с учетом районного коэффициента.
Таблица 6.6 - Затраты на проектирование
Наименование затрат Сумма затрат, руб.
Зарплата - основная и дополнительная 11373.20
Налоги (социальный и медицинский) 2979,75
На материалы 735
Накладные расходы 3877,64
Затраты на амортизацию 420,80
Затраты на аренду 3994,50
Затраты на электроэнергию 169,95
Итого 24 151,4
Посчитаем лимитную оценку изделия: ,(6.12)
где ? себестоимость;
? коэффициент рентабельности (0,25-0,3).
В итоге лимитная оценка изделия составляет
30 189,25 руб.
6.4 Оценка научно-исследовательского уровня проекта
Научно-исследовательский уровень работы оценивается возможностью использования результатов выполненных исследований в других научно - исследовательских и опытно конструкторских работах. Также обеспечивает получение информации, необходимой для создания новой техники.
Показатель научно-исследовательского уровня определяется следующим образом: ,(6.13) где НТ - показатель научно - исследовательского уровня;
ki - весовой коэффициент i-го признака уровня проекта ni - количественная оценка i-го признака уровня проекта
Оценка научно-исследовательского уровня проекта производится по следующим трем признакам: Уровень новизны - k = 0.6
Теоретический уровень - k = 0.4
Возможность применения - k = 0.2
Таблица 6.7 - Баллы для оценки уровня новизны
Уровень новизны Характеристики уровня новизны Баллы
Принципиально новая Новое направление в науке и технике, новые факты и закономерности, принципиально новое устройство, способ 8?10
Новая По-новому объясняются те же факты, закономерности, новые понятия, дополняются и уточняются ранее полученные результаты 5?7
Относительно новая Систематизируются, обобщаются имеющиеся сведения, новые связи между фактами, объектами, результатом является новые эффективные решения, более простые способы достижения прежних результатов, частичная модификация с признаком новизны 1?4
Не обладающая новизной Результат, который ранее был известен 0
Теоретический уровень полученных результатов Баллы
Установление закона, разработка новой теории 10
Глубокая разработка проблем, многоаспектный анализ, взаимосвязь между факторами с наличием объяснения 8
Разработка способа (алгоритм, программа) 6
Элементарный анализ связей между факторами (наличие гипотезы, классификатора, объяснение версии, практических рекомендаций частного характера) 2
Описание отдельных элементарных факторов (вещей, способов), изложение наблюдений опыта, результатов измерения 0,5
Таблица 6.9 - Возможность реализации результатов
Масштаб реализации Баллы
Народное хозяйство 10
Отрасль 6
Одно или несколько предприятий 4
Согласно таблицам 6.7 - 6.9 имеем следующие коэффициенты: n1=7, n2=8, n3=6.
Вычисляя по формуле 6.10, получаем: Hr=0.6*7 0.4*8 0.2*6=8.6
Таблица 6.10 - Оценка уровня развития проекта
Уровень развития Баллы
Низкий 1?4
Средний 5?7
Сравнительно высокий 8?10
Высокий 11?14
7. Обеспечение безопасности жизненной деятельности
7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте инженера-программиста
7.1.1 Обзор опасных и вредных факторов
Трудовой процесс инженера-программиста сопровождается нервно-психологическим и физическим напряжением организма.
С развитием техники и широким внедрением механизации и автоматизации производственных процессов уменьшается роль физического труда человека, однако, возрастает роль умственной нагрузки и возникает проблема нервного утомления.
В целях предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний при воздействии опасных и вредных производственных факторов на предприятиях применяются меры по их предупреждению и устранению, а также снижению степени воздействия на работающих людей.
Для снижения воздействия вредных факторов на инженера-программиста во время работы в первую очередь необходим их тщательный анализ.
Опасным называется производственный фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. Если же производственный фактор приводит к заболеванию или снижению работоспособности, то его считают вредным (ГОСТ 12.0.002-80).
В ГОСТ 12.0.003-74 «ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» производится классификация элементов условий труда, выступающих в роли опасных и вредных производственных факторов. Они подразделяются на 4 группы: физические химические биологические психофизиологические.
Каждая группа в свою очередь подразделяется на подгруппы. На инженера-программиста, на его рабочем месте, воздействуют следующие опасные физические и вредные производственные факторы: повышенная запыленность воздуха рабочей зоны;