Skip to content

lab04.md

Latest commit

 

History

History
101 lines (63 loc) · 9.67 KB

lab04.md

File metadata and controls

101 lines (63 loc) · 9.67 KB

Лабораторная работа №4

«Сильносвязанная интеграция ГНСС–ИНС»

Цель работы: реализация фильтрации в пространстве ошибок с использованием исходных измерений ГНСС (псевдодальности, доплеровские скорости; опционально — фаза несущей) и инерциальных данных для построения сильносвязанной ГНСС/ИНС-навигационной системы.

Оценивание: 25 баллов (Часть 1 — 10 баллов, Часть 2 — 15 баллов).
Оборудование: персональный компьютер.

Лабораторное задание

  1. Сгенерировать «сырые» спутниковые наблюдения ГНСС для той же траектории:

    • псевдодальности (обязательно);
    • доплеровские измерения (рекомендуется);
    • фазовые измерения несущей (опционально).

  2. Реализовать сильносвязанную схему ГНСС–ИНС на основе фильтра Калмана в пространстве ошибок: 2.1. Выполнять этап предсказания на каждом такте ИМУ (на основе механизации ИНС и модели распространения ошибок).
    2.2. Выполнять этап обновления при поступлении очередной эпохи наблюдений ГНСС, используя модель наблюдений на уровне псевдодальностей (и доплера/фазы, если реализованы).
    2.3. Включить в вектор состояния параметры часов приёмника (смещение и, при необходимости, дрейф), как минимум для одного созвездия; при многосозвездной постановке — отдельные параметры для каждого созвездия.

  3. Провести вычислительные эксперименты и сравнить варианты: 3.1. Сильносвязанная интеграция (ЛР4) vs слабосвязанная интеграция (ЛР3).
    3.2. Сильносвязанная интеграция (ЛР4) vs автономное решение по ГНСС (ЛР2).
    3.3. Исследовать поведение при ухудшении условий: уменьшение числа видимых спутников (<4), пропуски эпох ГНСС, рост шума наблюдений, наличие выбросов.

  4. Оценить точность и согласованность полученного решения относительно эталонной траектории: 4.1. Построить ошибки по положению/скорости (по компонентам и по модулю).
    4.2. Рассчитать численные метрики (например, СКО, 95-й процентиль, максимум).
    4.3. Проанализировать влияние параметров матриц Q и R на устойчивость и качество.

Методика выполнения

1. Подготовка эталонной траектории и временной шкалы

1.1. Использовать файл траектории из ЛР2 (в выбранной системе координат и с заданным шагом).

1.2. Задать частоты дискретизации: ИМУ (высокая) и ГНСС (ниже, например 1–10 Гц).

1.3. Обеспечить согласование времени: измерения ГНСС должны соответствовать моментам времени на траектории (допускается интерполяция состояния ИНС к эпохам ГНСС).

2. Формирование инерциальных измерений и механизация ИНС

2.1. Сгенерировать измерения ИМУ по эталонной траектории: удельная сила и угловая скорость (или приращения скорости/угла).

2.2. Ввести модели ошибок датчиков (смещения/дрейфы/шум) по аналогии с ЛР3; зафиксировать параметры.

2.3. Реализовать механизацию ИНС и получить автономные оценки положения/скорости/ориентации на такте ИМУ.

3. Генерация «сырых» наблюдений ГНСС по траектории (ЛР2 → ЛР4)

3.1. Сформировать псевдодальности на основе геометрии и модели наблюдений.

3.2. Задать модель шума псевдодальностей (дисперсия может зависеть от угла места/условий).

3.3. (Рекомендуется) Сгенерировать доплеровские измерения, связывающие относительную радиальную скорость и дрейф часов приёмника.

3.4. (Опционально) Сгенерировать фазовые измерения несущей, при необходимости — реализовать временные разности фазы.

4. Построение сильносвязанного фильтра в пространстве ошибок

4.1. Сформировать вектор состояния ошибок ИНС (как в ЛР3) и дополнить его параметрами часов приёмника (смещение; при необходимости — дрейф).

4.2. Задать модель перехода состояния и матрицу процессного шума Q (ИНС-часть — как в ЛР3; часы — по выбранной модели).

4.3. Сформировать вектор измерений как рассогласование «прогноз измерения по ИНС» минус «фактическое измерение ГНСС» для псевдодальностей (и доплера/фазы, если используется).

4.4. Сформировать матрицу наблюдений H как матрицу частных производных модели наблюдений по компонентам вектора состояния.

4.5. Задать матрицу R на уровне отдельных наблюдений (диагональная — допустимо как базовый вариант; при расширенной постановке — с учётом неодинаковой точности спутников).

5. Проведение экспериментов и анализ

5.1. Базовый прогон: нормальные условия, достаточное число спутников, постоянные дисперсии.

5.2. Прогон с ухудшением условий: менее четырёх спутников на интервале, пропуски эпох, рост шумов, выбросы.

5.3. Сравнить с ЛР3 (слабосвязанная) и ЛР2 (ГНСС-только) на одинаковых входных данных.

5.4. Сформулировать выводы по устойчивости и точности; отдельно отметить режимы, где сильносвязанная схема даёт выигрыш.

Требования к защите

Для защиты лабораторной работы необходимо подготовить и продемонстрировать:

  • [часть 1] файл эталонной траектории (ЛР2) и описание системы координат/единиц;
  • [часть 1] параметры частот ИМУ и ГНСС, правила временной увязки;
  • [часть 1] фиксированные параметры моделирования (включая «зерно» генератора случайных чисел при моделировании шумов).
  • [часть 1] реализованные модели ошибок датчиков (смещения/дрейфы/шум) и их значения;
  • [часть 1] демонстрацию автономного дрейфа ИНС без коррекции (графики ошибок относительно эталона).
  • [часть 1] состав модели псевдодальности (какие слагаемые учтены/не учтены);
  • [часть 1] статистическую модель ошибок наблюдений и обоснование дисперсий;
  • [часть 1] формирование доплера и/или фазы несущей.
  • [часть 2] состав вектора состояния (ошибки ИНС + часы приёмника);
  • [часть 2] матрицы F, Q, H, R и принцип их формирования;
  • [часть 2] результаты сравнения с ЛР3 и ЛР2 (графики и метрики), выводы о выигрышах/ограничениях.