Способ повышения радиуса действия кинематического режима реального времени определения относительных координат объекта

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения местоположения объекта с повышенной точностью на значительных расстояниях от опорного пункта. Технический результат, достигаемый данным изобретением, заключается в повышении точности определения координат объекта с одновременным увеличением радиуса действия кинематического режима, т.е. увеличением расстояния между аппаратурой потребителя и опорным пунктом. Для этого с опорного пункта на определяемый дополнительно передаются параметры, позволяющие рассчитывать координаты навигационных космических аппаратов (НКА) с более высокой точностью. Зависимость величины погрешности измерения дальности от значений погрешностей координат НКА определяется соотношением: где: b - расстояние между опорным и определяемым пунктами; R - расстояние между опорным пунктом и НКА; L - величина вектора погрешностей координат НКА. 1 ил.

 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения местоположения объекта с повышенной точностью на значительных расстояниях от опорного пункта.

Принцип работы спутниковых радионавигационных систем (СРНС) заключается в следующем. Некоторое количество искусственных спутников Земли, называемых навигационными космическими аппаратами (НКА), излучают радиосигнал. Этот сигнал принимается аппаратурой потребителя, которая измеряет дальности до каждого из НКА. Кроме того, в сигналах НКА передается информация об их координатах. На основе измеренных дальностей и известных координат НКА в аппаратуре потребителя вычисляются координаты точки стояния антенны объекта.

При работе по СРНС производятся измерения дальности по фазе кода, дальности по фазе несущей, радиальной скорости по величине сдвига частоты в результате эффекта Доплера.

Особенности построения СРНС и аппаратуры потребителей таковы, что фактическими измеряемыми параметрами являются не сами дальности и радиальные скорости, а их эквиваленты, содержащие в себе влияние различия шкал времени аппаратуры потребителя и СРНС. Поэтому измерения, производимые при помощи СРНС, принято называть псевдодальностями, псевдофазами, псевдоскоростями.

Аппаратуру потребителя принято называть навигационным приемником.

Каждый навигационный приемник оснащается навигационной антенной, принимающей сигналы СРНС. Фактически, под термином "определение координат объекта" понимается определение координат антенны навигационного приемника, точнее, координат фазового центра антенны навигационного приемника, т.е. точки, к которой относятся производимые измерения.

В настоящее время известны следующие СРНС: Цикада (Россия), ГЛОНАСС (Россия), Transit (США), GPS (США).

Точность определения координат при помощи СРНС второго поколения (ГЛОНАСС и GPS) в стандартном режиме составляет от 5 до 30 м.

При необходимости повысить точность определения координат некой точки при помощи СРНС следует использовать совместную обработку измерений, полученных навигационными приемниками, установленными в этой точке и на некотором пункте, координаты которого уже известны. Пункт, координаты которого известны, принято называть опорным. Такая обработка называется дифференциальной, либо относительной.

Относительная обработка может производиться либо в реальном времени, либо в режиме пост-обработки.

В результате относительной обработки, при совместном использовании измерений по фазе кода и фазе несущей, полученных на опорном и определяемом пунктах, точность определения координат может составить не хуже 1 см.

При работе в реальном времени на определяемую точку должен передаваться набор параметров, характеризующих опорный пункт. Такая передача обычно производится путем радиосвязи. Передаваемыми параметрами являются измерения псевдодальности и псевдофазы, либо параметры, полученные путем их обработки. Передаваемые параметры называются корректирующей информацией.

Режим работы аппаратуры, позволяющий определять в реальном времени относительные координаты пунктов с точностями порядка 1 см по измерениям на фазе кода и фазе несущей, называется кинематическим режимом реального времени (КРРВ).

Известны способы и системы их реализующие, позволяющие повысить точность определения координат объекта (RU 2106657, G 01 S 15/00 10.03.98. RU 2012012, G 01 S 14/15 30.04.94, US 5602761, G 01 S 15/00 11.02.97, DE 19539302 G 01 S 15/02 27.04.97 ЕР 564200, G 01 S 11/00 06.10.93), однако они либо не обеспечивают необходимую точность определения координат объекта, либо имеют ограниченный радиус действия.

Технический результат, достигаемый данным изобретением, заключается в повышении точности определения координат объекта с одновременным увеличением радиуса действия кинематического режима, т.е. увеличением расстояния между аппаратурой потребителя и опорным пунктом.

Для этого предлагается способ повышения радиуса действия кинематического режима реального времени определения относительных координат объекта, который заключается в том, что на объекте и на опорном пункте осуществляют прием от нескольких навигационных космических аппаратов (НКА) и производят измерения дальности по фазе кода, дальности по фазе несущей. При этом потребителю с опорного пункта вместе со стандартной корректирующей информацией передаются параметры, позволяющие получить координаты НКА с более высокой точностью, что позволяет расширить радиус действия КРРВ, причем указанные параметры формируются в центре обработки измерений псевдодальности по фазе кода и фазе несущей, поступающих от группы измерительных пунктов, и передаются на опорный пункт.

Поясним особенности изобретения.

Принцип повышения точности определения координат при относительной обработке заключается в том, что погрешности измерений, вызывающие ухудшение точности имеют значительную корреляцию в пространстве и времени. Это означает, что погрешности измерений в двух различных, не слишком удаленных друг от друга точках пространства будут практически одинаковы и могут быть исключены при обработке данных с нескольких пунктов.

Различные погрешности измерений имеют различную степень пространственной корреляции.

Степень декорреляции в пространстве определяет применимость кинематического режима реального времени (КРРВ). Особенностью КРРВ является то, что в нем используется технология разрешения неоднозначности измерений по фазе несущей. Эта технология очень чувствительна к погрешностям измерения фазы.

Применительно к СРНС ГЛОНАСС и GPS, как только суммарная погрешность измерений по фазе несущей начинает превышать 3 см, разрешение неоднозначности становится проблематичным.

Аппаратурные погрешности измерений, а также погрешности вследствие многолучевости абсолютно не коррелированны в пространстве, и потому их влияние не исключается при относительной обработке, но эти ошибки могут быть минимизированы путем применения специализированных аппаратных решений, а также путем выбора мест расположения навигационных антенн.

Погрешности вследствие неточности частотно-временных параметров (ЧВП), а также вследствие влияния селективного доступа в GPS имеют абсолютную корреляцию в пространстве и полностью исключаются при относительной обработке.

Погрешности вследствие влияния тропосферы имеют декорреляцию в пространстве, однако влияние тропосферы легко поддается моделированию и может быть исключено в значительной степени.

Погрешности вследствие влияния ионосферы также имеют декорреляцию в пространстве, однако применение различных моделей ионосферы или двух-частотных измерений позволяет значительно снизить, либо практически полностью исключить ее влияние.

Погрешности вследствие влияния ошибок эфемерид имеют декорреляцию в пространстве, оцениваемую по следующему приближенному соотношению: 3.5×b×l0^-7, где b - длина базы (расстояние между опорным и определяемым пунктами). Согласно этому соотношению, расстояние b≈100 км является критическим. При минимизации влияния иных источников погрешностей, ошибки эфемерид будут превалирующими. Чем больше значение погрешностей эфемерид, тем значительней погрешность измерения дальности вследствие декорреляции при относительных определениях.

На чертеже проиллюстрирован характер влияния ошибок эфемерид на величину погрешности.

На чертеже отрезок [АВ]=b является расстоянием между опорным пунктом (А) и объектом (В). В точке S₁ находится НКА, однако, вследствие погрешностей координат НКА, для расчетов используются координаты точки S₂. Таким образом, длина отрезка [S₁S₂]=L представляет вектор погрешностей координат, длина отрезка [АS₂]=R является расстоянием между опорным пунктом и НКА.

Влияние декорреляции представлено разностью проекций отрезка L на линии [S₂B] и [S₂A]. Поскольку углы (S₁S₂B) и (S₁CS₂) являются прямыми, разность проекций отрезка L на линии [S₂A] составит отрезок [CS₂]=l. Таким образом, чем больше значение l, тем больше влияние декорреляции.

Исходя из чертежа величина погрешности (отрезок l) может быть рассчитана по следующей формуле:

Если величина b много меньше R, то формула (1) может быть трансформирована к более простому виду:

В качестве примера рассмотрим СРНС ГЛОНАСС, где величина R≈20000 км. Примем, что погрешности координат НКА имеют значение L=20 м. Тогда согласно формуле (2), для обеспечения влияния декорреляции не более 3 см, расстояние между опорным и определяемым пунктами не должно превышать 30 км. Снижение погрешностей координат НКА до уровня хотя бы 1 м позволит гарантированно обеспечить радиус действия КРРВ не ниже 600 км. Теоретически, радиус КРРВ может достигать 1000 км и более при дальнейшем повышении точности оценок координат НКА.

Для реализации способа необходимо разместить (или использовать уже имеющиеся) на некоторой территории измерительные пункты, производящие измерения псевдодальности по фазе кода и фазе несущей и передающие их в центр обработки, где на основе всей совокупности данных производится вычисление орбит НКА с повышенной точностью, и результаты вычисления (параметры) передаются на опорный пункт.

Способ повышения радиуса действий кинематического режима реального времени определения относительных координат объекта, заключающийся в том, что на объекте и опорном пункте осуществляют прием сигналов от нескольких навигационных космических аппаратов (НКА) и производят измерения псевдодальности по фазе кода, псевдодальности по фазе несущей, при этом с опорного пункта на объект помимо стандартной корректирующей информации передаются параметры, позволяющие получить координаты НКА с повышенной точностью, причем указанные параметры формируются в центре обработки измерений псевдодальности по фазе кода и фазе несущей, поступающих от группы измерительных пунктов, и передаются на опорный пункт.