Электронная схема определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений
Владельцы патента RU 2435210:
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к области создания навигационных приемников, а также средств автономного контроля навигационных сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и др. с функцией оперативного контроля достоверности навигационных сигналов. Техническим результатом является повышение надежности и точности определения потребителем своего местоположения за счет определения среднеквадратического отклонения (СКО) случайной составляющей навигационных измерений. Электронная схема оперативного определения среднеквадратичного отклонения случайной составляющей навигационных измерений состоит из двух сдвиговых регистров, трех регистров, трех инверторов, пяти сумматоров, трех константных умножителей, трех модулей возведения в квадрат и одного модуля извлечения квадратного корня и связи между ними. 2 ил.
Изобретение относится к области создания навигационных приемников, а также средств автономного контроля навигационных сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и др. с функцией контроля достоверности навигационных сигналов.
Как известно из уровня техники, особенность обработки навигационных измерений заключается в том, что в них содержится значительная систематическая составляющая, обусловленная движением космического аппарата по орбите. В связи с этим для определения среднеквадратического отклонения (СКО) случайной составляющей навигационных измерений необходимо предварительно выделить случайную составляющую навигационных измерений из исходного потока навигационных измерений.
Выделение случайной составляющей навигационных измерений обычно осуществляется путем сглаживания потока измерений методом скользящего среднего и последующим вычитанием полученного тренда (систематической составляющей) из первоначального потока.
Обозначим x0, x1, … - последовательность навигационных измерений, поступающих от измерительного канала навигационного приемника в моменты времени t0, t1, ….
Рассмотрим следующее представление навигационных измерений:
где 
- систематическая составляющая навигационных измерений,
- случайная составляющая навигационных измерений.
При использовании метода скользящего среднего систематическая составляющая навигационных измерений определяется следующим образом:
где p - половина ширины окна скользящего среднего.
Следовательно, случайная составляющая навигационных измерений может быть найдена из следующего выражения:
Как известно (см.[1]), среднеквадратическое отклонение случайной составляющей измерений определяется на некотором временном интервале (окне) следующим образом:
где q - половина ширины окна, на котором определяется величина СКО,
- математическое ожидание случайной составляющей навигационных измерений на данном временном интервале, определяемое по формуле
Из данных выражений видно, что для определения СКО случайной составляющей навигационных измерений необходимо хранить в памяти 2р+1 измерений. При этом при поступлении очередного измерения, для определения нового значения СКО необходимо выполнить чрезвычайно большое количество операций сложения и умножения. Отметим также, что с увеличением ширин окон p и q количество операций сложения и умножения на одном такте существенно растет. По указанным причинам тривиальная схема, вычисляющая СКО случайной составляющей навигационных измерений, будет иметь очень большое число элементов и, соответственно, большую площадь, что затрудняет ее применение в составе современных усовершенствованных навигационных приемников.
Заявленная электронная схема определения СКО случайной составляющей навигационных измерений устраняет вышеперечисленные недостатки, она обладает малой площадью и малым числом элементов, при этом с увеличением ширин окон p и q увеличивается лишь количество регистров для хранения измерений, а количество операций сложения и умножения, выполняемых при поступлении очередного измерения остается неизменным, что делает возможным ее использование в составе современных усовершенствованных навигационных приемников.
Заявленная электронная схема позволяет в реальном времени определять величину СКО случайной составляющей навигационных измерений, последовательно формируемых измерительным каналом навигационного приемника.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность создания навигационных приемников с функцией определения среднеквадратического отклонения (СКО) случайной составляющей навигационных измерений, что приводит к повышению надежности и точности определения потребителем своего местоположения.
Технический результат достигается тем, что электронная схема определения СКО случайной составляющей навигационных измерений состоит из двух сдвиговых регистров, трех регистров, трех инверторов, пяти сумматоров, трех константных умножителей, трех модулей возведения в квадрат и одного модуля извлечения квадратного корня, при этом вход первого сдвигового регистра и первый вход первого сумматора объединены и являются входом электронной схемы оперативного определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений, первый выход первого сдвигового регистра соединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра, выход которого соединен с входом третьего константного умножителя и третьим входом первого сумматора, выход третьего константного умножителя соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом первого сдвигового регистра, выход четвертого сумматора соединен с входом второго сдвигового регистра, с первым входом второго сумматора и с входом второго модуля возведения в квадрат соответственно, выход второго сдвигового регистра соединен с входом второго инвертора и входом первого модуля возведения в квадрат, выход первого модуля возведения в квадрат соединен с входом третьего инвертора, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с входом третьего регистра, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора и с первым входом пятого сумматора, выход второго модуля возведения в квадрат соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго инвертора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом второго регистра, выход которого соединен с третьим входом модуля возведения в квадрат и с третьим входом второго сумматора соответственно, выход третьего модуля возведения в квадрат соединен с входом первого умножителя, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен со входом второго умножителя, выход которого соединен с входом модуля извлечения квадратного корня, выход которого является выходом электронной схемы определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений.
Сущность и признаки заявленного изобретения в дальнейшем поясняются чертежами, где показано следующее:
На фиг.1 - схема работы определителя среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений.
На фиг.2 - представлена структурная схема электронной схемы определения среднеквадратичного отклонения случайной составляющей навигационных измерений.
Электронная схема определения среднеквадратичного отклонения случайной составляющей навигационных измерений (см. фиг.2) состоит из двух сдвиговых регистров (поз.1 и 7), трех регистров (поз.4, 10 и 17), трех инверторов (поз.2, 8 и 13), пяти сумматоров (поз.3, 9, 16, 6 и 18), трех константных умножителей (поз.14, 19 и 5), трех модулей возведения в квадрат (поз.12, 15 и 11) и одного модуля извлечения квадратного корня (поз.20).
Сдвиговые регистры (поз.1 и 7) представляют собой цепочку последовательно соединенных регистров и содержат 2p+1 и 2q+1 ячеек соответственно. Параметры p и q определяют степень сглаживания навигационных измерений и длину выборки для определения СКО. Поступающее на вход сдвигового регистра значение помещается в его начало. Остальные значения, хранящиеся в сдвиговом регистре, последовательно сдвигаются в сторону выхода. На выход поступает значение последнего регистра из цепочки. Отметим, что при увеличении параметров p и q возрастает лишь размер сдвиговых регистров СР1 и СР2, количество же операций сложения и умножения, выполняемых на одном такте, остается неизменным.
Инверторы (поз.2, 8 и 13) осуществляют умножение входного значения на -1.
Константный умножитель (поз.14) умножает входное значение на заданную константу 
.
Константный умножитель (поз.19) умножает входное значение на заданную константу 
.
Константный умножитель (поз.5) умножает входное значение на заданную константу 
.
Регистры представляют собой элементы задержки: на выходе данных элементов выдается значение входа, поступившее в предыдущий такт работы схемы.
Модули возведения в квадрат (извлечения квадратного корня) (поз.12, 15, 11 и 20) принимают на вход целое число и выдают на выходе значение квадрата (квадратного корня) данного числа.
Сумматоры (поз.3, 9, 16, 6 и 18) вычисляют значение суммы всех своих входов и выдают данное значение на выход.
Работа заявленной электронной схемы определения среднеквадратического отклонения СКО навигационных измерений осуществляется по тактам: на каждом такте на вход электронной схемы поступает очередное навигационное измерение от измерительного навигационного канала навигационного приемника, а на выходе формируется текущая величина среднеквадратичного отклонения случайной составляющей навигационных измерений (схема работы определителя СКО представлена на фиг.1).
Значение на выходе электронной схемы не определено в течение первых p+q тактов, что обозначено символами «*». Через p+q тактов на выходе электронной схемы появляется последовательность значений СКО случайной составляющей навигационных измерений σ0, σ1, …, которая представляет собой последовательные оценки величины СКО, соответствующие моментам времени t0, t1, ….
Таким образом, величина СКО определяется с задержкой p+q тактов. Алгоритм, с помощью которого электронная схема вычисляет случайную составляющую навигационных измерений, описывается следующими рекуррентными выражениями:
где Si - сумма последних 2р+1 измерений
S0=0,
при этом доопределяем xi=0, если i<0.
Для определения СКО случайной составляющей навигационных измерений выполним ряд преобразований стандартного алгоритма:
Обозначим 
и 
, в таком случае
Следовательно
Таким образом, СКО случайной составляющей навигационных измерений может быть определено следующей системой рекуррентных соотношений:
где
Благодаря такому представлению удается существенно сократить число элементов, входящих в заявленную электронную схему определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений и тем самым достичь указанного технического результата.
Таким образом, заявленная электронная схема позволяет в реальном времени определять величину СКО случайной составляющей навигационных измерений, последовательно формируемых измерительным каналом навигационного приемника. При этом разработанная схема обладает малой площадью, что делает возможным ее использование в составе современных усовершенствованных навигационных приемников.
Источники информации
1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М., Физматлит, 1962.
Электронная схема определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений состоит из двух сдвиговых регистров, трех регистров, трех инверторов, пяти сумматоров, трех константных умножителей, трех модулей возведения в квадрат и одного модуля извлечения квадратного корня, при этом вход первого сдвигового регистра и первый вход первого сумматора объединены и являются входом электронной схемы оперативного определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений, первый выход первого сдвигового регистра соединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра, выход которого соединен с входом третьего константного умножителя и третьим входом первого сумматора, выход третьего константного умножителя соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом первого сдвигового регистра, выход четвертого сумматора соединен с входом второго сдвигового регистра, с первым входом второго сумматора и с входом второго модуля возведения в квадрат соответственно, выход второго сдвигового регистра соединен с входом второго инвертора и входом первого модуля возведения в квадрат, выход первого модуля возведения в квадрат соединен с входом третьего инвертора, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с входом третьего регистра, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора и с первым входом пятого сумматора, выход второго модуля возведения в квадрат соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго инвертора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом второго регистра, выход которого соединен с третьим входом модуля возведения в квадрат и с третьим входом второго сумматора соответственно, выход третьего модуля возведения в квадрат соединен с входом первого умножителя, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен со входом второго умножителя, выход которого соединен с входом модуля извлечения квадратного корня, выход которого является выходом электронной схемы определения среднеквадратического отклонения случайной составляющей навигационных измерений.
