Antenna Systems. Specific Features and Results of GNSS Compass Development
G. I. Emel’yantsev,
A. P. Stepanov, 
E. V. Dranitsyna,
B. A. Blazhnov,
D. V. Volynskii,
N. S. Potemina
E. V. Dranitsyna,
B. A. Blazhnov,
D. V. Volynskii,
N. S. Potemina EDN: CYXUOH
Abstract
The paper discusses some achievements in the development of satellite multi-antenna systems which implement the interferometric principle of determining an object attitude. The existing systems are considered, and the authors’ vision of the development trend of these systems in terms of their use in the conditions of poor reception of complete outage of signals from global navigation satellite systems (GNSS) is presented. Information about a new system being developed is given; it is conventionally called a GNSS compass and represents a combination of a measuring unit based on fiber-optic gyroscopes of tactical accuracy grade and a multi-antenna GNSS receiver, installed on a rotary base and representing an integrated system of orientation and navigation with a single structure and information functions. The distinctive features of the GNSS compass, which overcome its disadvantages in case of poor GNSS signal, are described against the existing developments. A potential niche for GNSS compass application is also discussed.
About the Authors
G. I. Emel’yantsev
Concern CSRI Elektropribor, JSC
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
A. P. Stepanov
Concern CSRI Elektropribor, JSC;
ITMO University
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
E. V. Dranitsyna
Concern CSRI Elektropribor, JSC;
ITMO University
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
B. A. Blazhnov
Concern CSRI Elektropribor, JSC
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
D. V. Volynskii
Concern CSRI Elektropribor, JSC
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
N. S. Potemina
Concern CSRI Elektropribor, JSC;
ITMO University
Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg
References
1. Medina, D., Vilà-Valls, J., Hesselbarth, A., Ziebold, R., García, J., On the Recursive Joint Position and Attitude Determination in Multi-Antenna GNSS Platforms, Remote Sensing, 2020, 12(12):1955, https://doi.org/10.3390/rs12121955.
2. Пасынков В.В. Состояние и перспективы глобальных систем прецизионной навигации (дифференциальных подсистем с глобальной рабочей зоной) // XXII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. С. 417–421.
3. Bisnath, S. and Gao, Y., Precise Point Positioning: A powerful technique with a promising future, GPS World, 2009, vol. 20, no. 4, pp. 42–49.
4. Teunissen, P.J.G., Montenbruck, O. (Eds.), Handbook of Global Navigation Satellite Systems, Springer: Cham, Switzerland, 2017.
5. Тяпкин В.Н., Гарин Е.Н. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 260 с.
6. Микрин Е.А., Михайлов М.В., Рожков С.Н., Семенов А.С. Результаты летного эксперимента на МКС по исследованию влияния переотражений на решение задач навигации, ориентации и сближения по измерениям аппаратуры спутниковой навигации // Гироскопия и навигация. 2012. №1. С. 42–56.
7. Микрин Е.А., Михайлов М.В. Ориентация, выведение, сближение и спуск космических аппаратов по измерениям от глобальных спутниковых навигационных систем : учебное пособие. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. 357 с.
8. Иванцевич Н.В., Дмитриев П.П., Шебшаевич В.С. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы, под ред. В.С. Шебшаевича / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.
9. Teunissen, P.J.G., Integer Least-squares theory for the GNSS compass, J. Geod., 2010, 84, 433–447.
10. Raskaliyev, A., Patel, S.H., Sobh, T.M., Ibrayev, A., GNSS-Based Attitude Determination Techniques – A Comprehensive Literature Survey, IEEE Access, 2020, 8, 24873–24886.
11. https://krtz.su/node/256.
12. www.navis.ru.
13. https://cirspb.ru/pdf/GPC-400_Spec.pdf.
14. https://orkkniikp.ru/upload/iblock/a99/a99c272f3960381c2d2ff937b5249ab2.pdf.
15. http://www.radiocomplex.ru/files/images/article/RK-2106_2306s.pdf.
16. www.sbg-systems.com.
17. www.imar-navigation.de.
18. www.km.kongsberg.com/ks/web/nokbg0240.nsf/AllWeb/.
19. www.novatel.com.
20. www.hgnss.com.
21. www.furuno.com.
22. www.simrad-yachting.com.
23. Бердышев В.П., Стучилин А.И., Помазуев О.Н., Кордюков Р.Ю., Попов П.Г. Методика сравнительной оценки и выбора образцов навигационной аппаратуры потребителей спутниковой радионавигационной системы на основе метода попарных сравнений Саати // Научный вестник оборонно-промышленного комплекса России. 2014. №1. С. 59–67.
24. Chen, W., Yu, C., Dong, D., Cai, M., Zhou, F., Wang, Z., Zhang, L., Zheng, Z., Formal Uncertainty and Dispersion of Single and Double Difference Models for GNSS-Based Attitude Determination, Sensors, 2017; 17(2):408, https://doi.org/10.3390/s17020408.
25. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография в 2 тт. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. Т. 1. 334 с.
26. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», НИУ ИТМО, 2016. 394 с.
27. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография в 2 тт. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. Т. 2. 360 с.
28. Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли / под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2017. 390 с.
29. Makar, A., Determination of USV’s Direction Using Satellite and Fluxgate Compasses and GNSS-RTK, Sensors, 2022, 22, 7895, 17 p.
30. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т., Дворкин В.В., Ефименко В.С. и др. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирвоания / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
31. Блажнов Б.А., Емельянцев Г.И., Жилинский В.М., Коротков А.Н., Кошаев Д.А. и др. Интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации, построенная по сильносвязанной схеме // XVI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2009. С. 153–162.
32. Groves, P.D., Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems, GNSS technology and application series, 2nd ed., Artech House:Boston, 2013.
33. Emel’yantsev, G. , Stepanov, O., Stepanov, A., Blazhnov, B., Dranitsyna, E., Evstifeev, M., Еliseev, D., and Volynskiy, D., Integrated GNSS/IMU-Gyrocompass with Rotating IMU.Development and Test Results, Remote Sens., 2020, 12(22), 3736.
34. Сai Tijing, Zhao Zichao, Zhang Chunxia, Algorithm of Rotating GNSS Dual Antenna/MIMU Tight Integrated System, Piezoelectrics & Acoustooptics, 2022, vol. 44, no.1, pp. 166–170.
35. Степанов О.А., Кошаев Д.А. Исследованиеметодоврешениязадачиориентациисиспользованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация. 1999. №2(25). С. 30–55.
36. Емельянцев Г.И., Степанов А.П., Блажнов Б.А., Семенов И.В. О построении миниатюрного GPS-компаса для малоразмерных объектов // Материалы XXI конф. памяти Н.Н. Острякова. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. С. 118–126.
37. Емельянцев Г.И., Степанов О.А., Блажнов Б.А., Степанов А.П., Драницына Е.В. О снижении влияния многолучёвости распространения спутникового сигнала на погрешности СНС-гирокомпаса при использовании фазовых измерений // Гироскопия и навигация. Том 30. №2(117). 2022. C. 43–57.
38. Давыденко А.С. Метод эталонных разностей фаз в определении пространственной ориентации высокодинамичных объектов. Диссертация ... кандидата технических наук. СПб.:ФГАОУВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», 2017.
39. Tijing Cai, Qimeng Xu, Emelyantsev, G.I., Stepanov, A.P., Daijin Zhou, Shuaipeng Gao, Yang Liu, Junxiang Huang, A Multimode GNSS/MIMU Integrated Orientation and Navigation System, 26th St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2019.
40. Parkinson B.W., Spilker J.J., Axelrad P. Global Positioning System: Theory and Applications, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996, vol. I, II.
41. Ge, M., Gendt, G., Rothacher, M., Shi, C., Liu, J., Resolution of GPS carrier-phase ambiguities in Precise Point Positioning (PPP) with daily observations, J. Geod., 2008, 82, 389–399.
42. Teunissen, P.J.G., Integer least-squares theory for the GNSS compass, J. Geod., 2010, 84, 433–447.
43. Xiao, G., Li, P., Gao, Y., Heck, B., A Unified Model for Multi-Frequency PPP Ambiguity Resolution and Test Results with Galileo and BeiDou Triple-Frequency Observations, Remote Sens., 2019, 11, 116.
44. He, H., Li, J., Yang, Y., Xu, J., Guo, H., Wang, A., Performance assessment of singleand dual-frequency BeiDou/GPS single-epoch kinematic positioning, GPS Solut., 2014, 18, 393–403.
45. Кошаев Д.А. Проблемы избытка и недостатка измерений ГНСС в специальных задачах вторичной обработки // Гироскопия и навигация. 2015. №2(89). С.67–91.
46. Hatch, R., Instantaneous ambiguity resolution, Proc. Kinematic Syst. Geodesy, Surveying, Remote Sens., Symp., Banff, AB, Canada, 1991, no. 107, pp. 299–308.
47. Frei, E. and Beutler, G., Rapid static positioning based on the fast ambiguity resolution approach FARA: Theory and first results, Manuscripta Geodaetica, 1990, vol. 15, no. 6, pp. 325–356.
48. Euler, H.-J. and Landau, H., Fast GPS ambiguity resolution on-thefly for real-time applications, Proc. 6th Int. Geodesy Symp. Satell. Positioning, Columbus, OH, USA, 1992, pp. 650–659.
49. Teunissen, P.J.G., Least-squares estimation of the integer GPS ambiguities, Proc. IAG Gen. Meeting, IV Theory Methodol., Beijing, China, 1993, pp. 1–16.
50. Chen, D. and Lachapelle, G., A comparison of the FASF and least squares search algorithms for on the fly ambiguity resolution, Navigation, 1995, vol. 42, no. 2, pp. 371–390.
51. Jung, J., Enge, P., and Pervan, B., Optimization of cascade integer resolution with three civil GPS frequencies, Proc. ION GPS, Salt Lake City, UT, USA, 2000, pp. 2191–2200.
52. Ding, W., Sun, W., Gao, Y., Wu, J., Carrier Phase-Based Precise Heading and Pitch Estimation Using a Low-Cost GNSS Receiver, Remote Sensing, 2021; 13(18):3642, https://doi.org/10.3390/rs13183642.
53. Li, T., Zhang, H., Gao, Z., Niu, X., El-sheimy, N., Tight Fusion of a Monocular Camera, MEMS-IMU, and Single-Frequency Multi-GNSS RTK for Precise Navigation in GNSS-Challenged Environments, Remote Sens., 2019, 11, 610, doi:10.3390/rs11060610.
54. Gao, Z., Shen, W., Zhang, H., Ge, M., Niu, X., Application of Helmert Variance Component Based Adaptive Kalman Filter in Multi-GNSS PPP/INS Tightly Coupled Integration, Remote Sens., 2016, 8, 553.
55. Nadarajah, N., Teunissen, P.J.G., Raziq, N., Instantaneous GPS-GalileoAttitude Determination: Single-Frequency Performance in Satellite-Deprived Environments, IEEE Trans. Veh. Technol., 2013, 62, 2963–2976.
56. https://glonass-iac.ru (Прикладной потребительский центр ГЛОНАСС. Информационно-аналитический центр координатно-временного и навигационного обеспечения).
57. He, H., Li, J., Yang, Y., Xu, J., Guo, H., Wang, A., Performance assessment of singleand dual-frequency BeiDou/GPS single-epoch kinematic positioning, GPS Solut., 2014, 18, 393–403, doi:10.1007/s10291-013-0339-3.
58. Chen, C., Chang, G., PPPLib: An open-source software for precise point positioning using GPS, BeiDou, Galileo, GLONASS, and QZSS with multi-frequency observations, GPS Solut., 2020, 25, 18.
59. Emel’yantsev, G.I., Stepanov, A.P., Dranitsyna, E.V., Blazhnov, B.A., Radchenko, D.A., Vinokurov, I.Yu., Eliseev, D.P., Petrov, P.Yu., Dual-mode GNSSgyrocompass using primary satellite measurements, Proceedings of the 25th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), IEEE, 2018, pp. 1–3.
60. https://www.arms-expo.ru/news/vystavki-i-konferentsii/nepodvlastnaya-pomekham-kometa.
61. Асеев А.Л., Владимиров В.М., Фатеев Ю.Л., Филиппов А.И., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS // Космические аппараты и технологии. 2013. № 3–4 (6). С. 29–34.
62. https://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/LoadFile?file=ngs14.003.
63. Gao, M., Liu, G., Wang, S., Xiao, G., Zhao, W., Lv, D., Research on Tightly Coupled Multi-Antenna GNSS/MEMS Single-Frequency Single-Epoch Attitude Determination in Urban Environment, Remote Sensing, 2021, 13(14):2710, https://doi.org/10.3390/rs13142710.
64. Zhu, J., Li, T., Wang, J., Hu, X., Wu, M., Rate-Gyro-Integral Constraint for Ambiguity Resolution in GNSS Attitude Determination Applications, Sensors, 2013, 13, 7979–7999.
65. Emel’yantsev, G., Dranitsyna, E., Stepanov, A., Blazhnov, B., Vinokurov, I., Kostin, P., Petrov, P., Radchenko, D., Tightly-coupled GNSS-aided inertial system with modulation rotation of two-antenna measurement unit, Proceedings of the DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), IEEE, Karlsruhe, 2017, pp. 1–18.
66. Жарков М.В., Веремеенко К.К., Антонов, Кузнецов И.М. Вычисление параметров ориентации по интерферометрическим неоднозначным фазовым измерениям спутниковых навигационных систем и измерениям абсолютной угловой скорости // Гироскопия и навигация. 2018. Том 26. №3 (102). C. 54–68.
67. Кошаев Д.А. Многоальтернативный метод обнаружения и оценки нарушений на основе расширенного фильтра Калмана // Автоматика и Телемеханика. 2010. №5. С. 70–83.
68. Аль Битар Н., Гаврилов А.И., Халаф В. Методы на основе искусственного интеллекта для повышения точности интегрированной навигационной системы при отсутствии сигнала ГНСС. Аналитический обзор // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. №4. С. 3–28. DOI 10.17285/08697035.0014.
69. Pan, C., Qian, N., Li, Z., Gao, J., Liu, Z., Shao, K., A Robust Adaptive Cubature Kalman Filter Based on SVD for Dual-Antenna GNSS/MIMU Tightly Coupled Integration, Remote Sensing, 2021, 13(10):1943, https://doi.org/10.3390/rs13101943.
70. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть II. Примеры решения задач // Гироскопия и навигация. 2021. Том 29. №4 (115). C. 56–77. DOI 10.17285/0869-7035.0074.
71. Emel’yantsev, G.I., Stepanov, A.P., Blazhnov, B.A., Radchenko, D.Ą., Vinokurov, I.Yu., Petrov, P.Yu., Using Satellite Receivers with a Common Clock in a Small-Sized GNSS Compass, 24th St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), IEEE, 2017, pp. 1–2.
72. Емельянцев Г.И., Блажнов Б.А., Степанов А.П. Особенности построения двухрежимного СНС-гирокомпаса как сильносвязанной интегрированной системы // Гироскопия и навигация. 2017. №4 (99). С. 3–17.
73. Zhang, C., Dong, D., Chen, W., Cai, M., Peng, Y., Yu, C., Wu, J., High-Accuracy Attitude Determination Using Single-Difference Observables Based on Multi-Antenna GNSS Receiver with a Common Clock, Remote Sensing, 2021, 13(19):3977, https://doi.org/10.3390/rs13193977.
74. https://www.javad.com/jgnss/products/oem/TRE-Quattro/specifications.html.
Review
For citations:
Emel’yantsev G.I., Stepanov A.P., Dranitsyna E.V., Blazhnov B.A., Volynskii D.V., Potemina N.S. Antenna Systems. Specific Features and Results of GNSS Compass Development. Gyroscopy and Navigation. 2023;31(2):3-25. (In Russ.) EDN: CYXUOH
Views:
4
Email this article 