Способ и система дифференциальной коррекции навигации

Изобретение относится к области спутниковой навигации. Техническими результатами являются повышение скорости сходимости высокоточного позиционирования спутниковой навигации, сокращение времени для инициализации точного позиционирования пользователя, исключение зависимости от линий связи и одновременное улучшение точности и надёжности услуг системы. Упомянутый технический результат достигается тем, что способ дифференциальной коррекции навигации включает в себя этапы, на которых: передают с помощью спутников группировки на низкой околоземной орбите (LEO) прямые сигналы навигации и информацию дифференциальной коррекции навигации; выполняют с помощью приёмника пользователя точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников, прямым сигналам навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации, передаваемой LEO-спутниками. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ПЕРЕКРЁСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[0001] Настоящая заявка имеет приоритет китайской заявки на патент, поданной китайским патентным ведомством с номером заявки 201810566046.8 от 04 июня 2018 г., все содержание которой включено в настоящую заявку в качестве ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Настоящая заявка относится к области спутниковой навигации и, например, к способу и системе позиционирования для дифференциальной коррекции навигации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Родственные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), включающие в себя Beidou, глобальную систему позиционирования (GPS), глобальную навигационную спутниковую систему (ГЛОНАСС), Galileo и т.п., предоставляют только услуги навигации и позиционирования точнее 10 метров для пользователей, что больше не может удовлетворять требованиям высокой точности пользователей.

[0004] С продвижением и разработкой базовых технологий, таких как орбита и сдвиг часов в реальном времени, и технологии позиционирования высокой точности средне- и высокоорбитальные спутниковые системы дифференциальной коррекции, представленные системой StarFire, Navcom, и системой OmniStar, Fugro, выводят систему дифференциального позиционирования на новый уровень. Однако, схемы вышеотмеченных систем в основном аналогичны, и все арендуют прозрачные транспондеры на морских спутниках для передачи информации дифференциальной коррекции навигационной системы для пользовательских терминалов для обеспечения услуг высокоточного позиционирования. Скорость сходимости точности услуг, получаемых пользователями, тесно связана с пространственной геометрической конфигурацией и скоростью изменения геометрической конфигурации навигационных спутников, и все вышеотмеченные спутники дифференциальной коррекции множества систем расположены на средних и высоких орбитах, и угол, охватываемый спутниками в зените за короткое время, является маленьким, и изменения в пространственных геометрических конфигурациях спутников являются не очевидными, таким образом, влияние на ускорение сходимости позиционирования высокой точности ограничено, и его время сходимости по-прежнему требует по меньшей мере 6 минут в случае, когда неоднозначность зафиксирована, что не может удовлетворять текущую потребность в высокоточном позиционировании в реальном времени.

[0005] Наземные системы дифференциальной коррекции и технология позиционирования высокой точности – кинематики в реальном времени (PPP+RTK) могут быстро достигать быстрой сходимости высокоточного позиционирования, но ограничены расположением наземных станций и ограничением линий связи, и, таким образом, покрытие и доступность услуг являются низкими, и потребности в широком диапазоне высокоточных общедоступных применений не могут быть удовлетворены.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Ниже приводится обзор объектов изобретения, описанных здесь подробно. Настоящий обзор не предназначен для ограничения объёма охраны по формуле изобретения.

[0007] Настоящая заявка предлагает способ и систему дифференциальной коррекции навигации, которые ускоряют скорость сходимости высокоточного позиционирования спутниковой навигации, сокращают время для инициализации точного позиционирования пользователя, исключают зависимость от линий связи и одновременно улучшают доступность, точность и надёжность услуг системы.

[0008] Настоящая заявка предлагает способ дифференциальной коррекции навигации для достижения быстрой сходимости высокоточного позиционирования, измерения скорости и синхронизации для пользователей.

[0009] Настоящая заявка предлагает систему дифференциальной коррекции навигации для реализации услуг быстрого и высокоточного позиционирования, измерения скорости и синхронизации для пользователей.

[0010] Один аспект настоящей заявки предлагает способ дифференциальной коррекции навигации, включающий в себя этапы, на которых: передают, с помощью спутников на низкой околоземной орбите (LEO), прямые сигналы навигации, информацию дифференциальной коррекции навигации, и точные орбиты и сдвиги часов спутников на низкой околоземной орбите; выполняют точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию с помощью приёмника пользователя согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников, прямым сигналам навигации LEO-спутников, информации дифференциальной коррекции навигации, и точные орбиты и сдвиги часов спутников на низкой околоземной орбите (далее называемые как LEO-спутники).

[0011] В варианте осуществления низкорбитальная группировка (далее называемая как LEO-группировка) включает в себя множество LEO-спутников, распределённых на множестве орбитальных плоскостей, и множество LEO-спутников передаёт прямые сигналы навигации на основе высокоточных эталонов времени и частоты через конкретные полосы частот; информация дифференциальной коррекции навигации включает в себя по меньшей мере одно из следующего: точные орбиты и сдвиги часов навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы GNSS, число коррекции фазового смещения навигационных спутников, число коррекции фазового смещения LEO-спутников и информация параметров модели ионосферы.

[0012] В варианте осуществления навигационные спутники включают в себя: по меньшей мере одну из спутниковых навигационных систем: глобальная система позиционирования GPS, США, Beidou, Китай, Galileo, ЕС и российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.

[0013] В варианте осуществления данные наблюдения для точного позиционирования, измерения скорости и синхронизации с помощью приёмника пользователя включают в себя по меньшей мере одно из следующего: данные наблюдения псевдодальности навигационных спутников и LEO-спутников, данные наблюдения фазы несущей навигационных спутников и LEO-спутников и доплеровские данные наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников.

[0014] В варианте осуществления, когда преемник пользователя выполняет точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников, прямым сигналам навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации LEO-спутников, режим обработки приёмника пользователя содержит: режим плавающего решения неоднозначности LEO-спутников с дифференциальной коррекцией или режим фиксированного решения неоднозначности LEO-спутников с дифференциальной коррекцией.

[0015] Настоящая заявка дополнительно предлагает систему дифференциальной коррекции навигации, включающую в себя: LEO-группировку, которая содержит множество LEO-спутников, распределённых на множестве орбитальных плоскостей, и выполнена с возможностью обеспечения стабильного покрытия мира или конкретных зон обслуживания; наземную систему эксплуатации и управления, которая выполнена с возможностью выполнения экономического вычисления и обработки и управления и контроля спутников и группировок; преемник пользователя, который выполнен с возможностью приёма прямых сигналов навигации, передаваемых соответственно навигационными спутниками и LEO-спутниками, а также информации дифференциальной коррекции навигации, передаваемой LEO-спутниками, и выполнения позиционирования, измерения скорости и синхронизации на основе прямых сигналов навигации навигационных спутников и прямых сигналов навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации, передаваемой LEO-спутниками.

[0016] В варианте осуществления LEO-спутники LEO-группировки сконфигурированы с высокоточными эталонами частоты для приёма в реальном времени информации наблюдения навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы GNSS и генерации и передачи прямых сигналов навигации, несущих информацию дифференциальной коррекции навигации.

[0017] В варианте осуществления наземная система эксплуатации и управления содержит главную станцию управления, станцию подачи сигнала и станцию мониторинга; главная станция управления, станция подачи сигнала, станция мониторинга и LEO-спутники LEO-группировки образуют спутниковую наземную интегрированную систему, и рабочий процесс спутниковой наземной интегрированной системы выглядит следующим образом: станция мониторинга собирает информацию наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников и отправляет собранную информацию наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников на главную станцию управления; главная станция управления согласно ее собственной информации о положении и различным типам информации наблюдения генерирует информацию дифференциальной коррекции навигационных спутников, включающую в себя точные орбиты и точные сдвиги часов и точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, и принимает меры для формирования информации дифференциальной коррекции навигации и навигационной информации LEO-спутников и отправляет информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников на станцию подачи сигнала; станция подачи сигнала отправляет информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников LEO-спутникам; спутники группировки вычисляют и прогнозируют точные сдвиги часов спутников и размещают точные сдвиги часов LEO- LEO-спутников для формирования навигационных телеграмм, генерируют прямые сигналы навигации и передают пользователям после приёма информации дифференциальной коррекции GNSS и навигационной информации LEO-спутников; преемник пользователя принимает и измеряет сигналы навигационных спутников и сигналы LEO-спутников и анализирует информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационные телеграммы LEO-спутников для выполнения решения высокоточного позиционирования, измерения скорости и синхронизации.

[0018] В варианте осуществления система строит интегрированную межспутниковую и «спутник - Земля» сеть для равномерной передачи множества типов информации.

[0019] В интегрированной межспутниковой и «спутник-Земля» сети спутник принимает информацию наблюдения навигационных спутников и принимает информацию дифференциальной коррекции, поданную главной станцией управления, и спутник генерирует телеметрическую информацию и принимает информацию наземного дистанционного управления и затем независимо передаёт её целевому спутнику и наземной станции по сети межспутниковой и «спутник - Земля» линии.

[0020] В варианте осуществления главная станция управления включает в себя: первый вычислительный блок, который выполнен с возможностью вычисления точной орбиты и числа коррекции сдвига часов навигационного спутника согласно информации о положении самой главной станции управления, собранным данным приёмника на спутнике LEO-спутников и данным наблюдения навигационного спутника и LEO-спутников на станции мониторинга; второй вычислительный блок, который выполнен с возможностью вычисления системного эталона времени согласно его собственной информации о положении, собранным данным приёмника на спутнике LEO-спутников и данным наблюдения навигационного спутника и LEO-спутников на станции мониторинга и вычисления точных орбит и точных сдвигов часов LEO-спутников и относительного сдвигов часов навигации согласно системному эталону времени; блок размещения информации, который выполнен с возможностью соответственной генерации навигационных телеграмм согласно точной орбите и числу коррекции сдвига часов навигации спутника и точным орбитам и точным сдвигам часов LEO-спутников и отправки навигационных телеграмм на станцию подачи сигнала для подачи на LEO-спутники.

[0021] После прочтения и понимания чертежей и подробного описания могут быть понятны другие аспекты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0022] Чертежи используются только для иллюстрации примеров вариантов осуществления и не рассматриваются как ограничение настоящей заявки. На всех чертежах одинаковые ссылочные символы используются для обозначения одинаковых компонентов. На чертежах:

[0023] фиг. 1 представляет схематическое изображение способа дифференциальной коррекции навигации, предложенного вариантом осуществления настоящей заявки;

[0024] фиг. 2 представляет блок-схему последовательности операций способа дифференциальной коррекции навигации, предложенного вариантом осуществления настоящей заявки;

[0025] фиг. 3 представляет блок-схему последовательности операций вычисления и обработки информации дифференциальной коррекции навигации и точных орбит и точных сдвигов часов LEO-спутников главной станцией управления, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки;

[0026] фиг. 4 представляет структурную схему системы позиционирования с дифференциальной коррекцией навигацией, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки;

[0027] фиг. 5 представляет структурную схему наземной системы эксплуатации и управления в системе позиционирования с дифференциальной коррекцией навигации, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки;

[0028] фиг. 6 представляет структурную схему главной станции управления наземной системы эксплуатации и управления в системе позиционирования с дифференциальной коррекцией навигации, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0029] Ниже примеры вариантов осуществления настоящего раскрытия будут описаны более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Несмотря на то, что чертежи показывают примеры вариантов осуществления настоящего раскрытия, необходимо понимать, что настоящее раскрытие может быть осуществлено в различных формах и не должно быть ограничено вариантами осуществления, изложенными здесь. Наоборот, эти варианты осуществления представлены для более полного понимания настоящего раскрытия и полной передачи объёма настоящего раскрытия специалистам в данной области техники.

[0030] Специалисты в данной области техники могут понимать, что, если не определено иное, все термины (включая технические термины и научные термины), используемые здесь, имеют те же значения, которые обычно понятны специалистам в данной области техники, к которой относится настоящая заявка. Также необходимо понимать, что термины, такие как те, которые определены в общих словарях, необходимо понимать имеющими значения, согласующиеся со значениями в контексте соответствующей технологии, и, если конкретно не определено, они не будут объяснены в идеализированных или чрезмерно формальных значениях.

[0031] Для того, чтобы улучшать точность позиционирования, измерения скорости и синхронизации спутниковой навигации и чтобы уменьшать время сходимости высокоточных услуг, варианты осуществления настоящей заявки предлагают способ и систему дифференциальной коррекции навигации, в которых путём построения LEO-группировки спутников высокоточный эталон частоты конфигурируется в LEO-спутниках, прямые сигналы навигации, информация дифференциальной коррекции GNSS и высокоточные навигационные телеграммы LEO-спутников передаются пользователям, и геометрия наблюдения улучшается путём использования быстродвижущихся характеристик LEO-спутников относительно пользователей для обеспечения возможности быстрого отделения параметров неоднозначности от параметров положения, тем самым ускоряя скорость сходимости высокоточных услуг и улучшая точность и надёжность услуг спутниковой навигации с помощью сигнала дифференциальной коррекции навигации, передающегося одновременно. Причём группировка LEO-спутников относится к спутникам с орбитальной высотой от 600 километров до 1200 километров.

[0032] Способ и система дифференциальной коррекции навигации, предложенные вариантами осуществления настоящей заявки, корректируют геометрическую конфигурацию пространства наблюдения пользователя посредством быстродвижущихся характеристик LEO-спутников, ускоряют скорость сходимости решения высокоточного навигационного позиционирования спутниковой навигации, сокращают время для инициализации точного позиционирования пользователя и одновременно улучшают доступность, точность и надёжность услуг системы. Приёмник пользователя имеет такую же аппаратную структуру, что и общий приёмник спутниковой навигации, и ему необходимо только принимать прямые сигналы от навигационных спутников и LEO-спутников в одном направлении для достижения быстрого и точного позиционирования и нет необходимости учитывать другие линии передачи данных, что эффективно уменьшает сложность и стоимость высокоточного позиционирования для пользователей.

[0033] Способ дифференциальной коррекции навигации, предложенный вариантом осуществления настоящей заявки, включает в себя этапы, на которых: передают, с помощью LEO-спутников, прямые сигналы навигации и информацию дифференциальной коррекции навигации; выполняют с помощью приёмника пользователя точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников, прямым сигналам навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации спутников.

[0034] Фиг. 1 представляет блок-схему последовательности операций способа дифференциальной коррекции навигации, предложенного вариантом осуществления настоящей заявки. Как показано на фиг. 1, способ включает в себя этапы S110-S190.

[0035] На этапе S110 LEO-спутники используют приемник GNSS на спутнике для отслеживания и наблюдения за навигационными спутниками в видимом диапазоне, получения исходных данных наблюдения и навигационных телеграмм и затем отправки исходных данных наблюдения и навигационных телеграмм на главную станцию управления наземной системы эксплуатации и управления по интегрированной сети связи, включающей в себя межспутниковую линию и линию «спутник - Земля».

[0036] На этапе S120 наземная система эксплуатации и управления использует станцию мониторинга для отслеживания и наблюдения за навигационными спутниками и LEO-спутниками в видимом диапазоне, получения исходных данных наблюдения и навигационных телеграмм и затем отправки исходных данных наблюдения и навигационных телеграмм на главную станцию управления наземной системы эксплуатации и управления по наземной сети.

[0037] На этапе S130 главная станция управления наземной системы эксплуатации и управления получает информацию дифференциальной коррекции навигации, включающую в себя точные орбиты и точные сдвиги часов навигационных спутников, параметры глобальной модели ионосферы и точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, с помощью вычисления и обработки согласно исходным данным наблюдения и навигационным телеграммам, полученным приёмником GNSS на спутнике LEO-спутников, а также исходным данным наблюдения и навигационным телеграммам, полученным наземной станцией мониторинга.

[0038] На этапе S140 главная станция управления наземной системы эксплуатации и управления выполняет комплексную обработку атомного времени согласно точным сдвигам часов навигационных спутников, выводит и поддерживает единый системный эталон времени и затем корректирует точные сдвиги часов навигационных спутников для получения точных смещений часов навигационных спутников и LEO-спутников с единым эталоном времени.

[0039] На этапе S150 главная станция управления наземной системы эксплуатации и управления размещает всю информацию дифференциальной коррекции навигации, а также точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, в предписанном формате и затем отправляет их на станцию подачи сигнала для передачи.

[0040] На этапе S160 станция подачи сигнала наземной системы эксплуатации и управления отправляет информацию дифференциальной коррекции навигации, а также точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, всем спутникам LEO-группировки по интегрированной межспутниковой и «спутник - Земля» сети связи.

[0041] На этапе S170 LEO-спутники выполняют локальное вычисление и прогнозирование сдвига смещения часов согласно информации наблюдения приёмника GNSS на спутнике, информации дифференциальной коррекции навигации и точным орбитам LEO-спутников путём принятия поданных точных смещений часов спутника в качестве эталона для формирования продуктов передачи точного смещения часов LEO-спутников.

[0042] На этапе S180 LEO-спутники генерируют частотно-временные сигналы на основе локального высокоточного эталона времени и затем модулируют информацию дифференциальной коррекции навигационных спутников и точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников на радиочастотных сигналах и затем передают их на Землю через спутниковую антенну.

[0043] На этапе S190 приёмник пользователя отслеживает и наблюдает за навигационными спутниками и LEO-спутниками в видимом диапазоне и получает исходные данные наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников, а также информацию дифференциальной коррекции навигационных спутников, точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников и т.п. и выполняет обработку точного позиционирования, измерения скорости и синхронизации согласно вышеуказанным данным.

[0044] Фиг. 2 представляет схематическое изображение принципа работы способа дифференциальной коррекции навигации, обеспеченного вариантом осуществления настоящей заявки. Причём вариант осуществления способа дифференциальной коррекции навигации в основном включает в себя группировку навигационных спутников, LEO-группировки, наземную систему эксплуатации и управления и приёмник пользователя. Причём: группировка навигационных спутников включает в себя по меньшей мере одну из спутниковых навигационных систем: GPS, США, Beidou, Китай, Galileo, ЕС и российская ГЛОНАСС и выполнена с возможностью передачи сигналов навигационных спутников. LEO-группировка включает в себя множество LEO-спутников, распределённых на множестве орбитальных плоскостей, которые передают прямые сигналы навигации на основе высокоточных эталонов времени и частоты через конкретные полосы частот для обеспечения стабильного покрытия мира или конкретных зон обслуживания, и выполнена с возможностью передачи прямых сигналов навигации и информации дифференциальной коррекции навигации. Наземная система эксплуатации и управления выполняет экономическое вычисление и обработку и управляет и контролирует спутники и группировки. Приёмник пользователя принимает прямые сигналы навигации, передаваемые навигационными спутниками и LEO-спутниками, а также информацию дифференциальной коррекции навигации, передаваемую LEO-спутниками, и выполняет точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию на основе прямых сигналов навигации от навигационных спутников и LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации.

[0045] Фиг. 3 представляет блок-схему последовательности операций вычисления и обработки информации дифференциальной коррекции навигации и точных орбит и точных сдвигов часов LEO-спутников главной станцией управления, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки. Как показано на фиг. 3, процедура обработки включает в себя этапы S310-S340.

[0046] На этапе S310 строят модель наблюдения согласно данным наблюдения GNSS на спутнике LEO-спутников и данным наблюдения станции мониторинга.

[0047] На этапе S320 выполняют процесс линеаризации на модели наблюдения согласно информации о положении LEO-спутников и станции мониторинга, а также данным наблюдения.

[0048] На этапе S330 устанавливают модель состояний и одновременно используют метод наименьших квадратов или метод фильтрации для оценки параметров на основе линеаризованной модели наблюдения для получения точных орбит и точных смещений часов навигационных спутников и точных орбит и точных смещений часов LEO-спутников.

[0049] На этапе S340 выполняют прогнозирование орбит и прогнозирование смещения часов навигационных спутников и LEO-спутников на основе точных орбит и точных сдвигов часов навигационных спутников и точных орбит и точных сдвигов часов LEO-спутников для получения информации дифференциальной коррекции навигационных спутников и навигационных телеграмм LEO-спутников.

[0050] Этапы S310 и S320 включают в себя следующие этапы, на которых: предварительно конфигурируют условия ограничения эталона; в условиях ограничения эталона вычисляют линеаризованную модель наблюдения путём использования метода наименьших квадратов или фильтрации.

[0051] Техническое решение настоящей заявки будет описано подробно ниже с помощью варианта осуществления. Наземная станция собирает информацию наблюдения спутников GNSS и LEO-спутников, включающую в себя значения наблюдения псевдодальности ρ и фазы φ несущей во множестве точек частоты. Поясняя на примере информацию наблюдения GNSS, значения наблюдения псевдодальности и фазы от спутника s до станции a мониторинга в точке i частоты могут быть выражены в виде:

(1)

[0052] В уравнении (1)

– геометрическое расстояние между спутником и станцией мониторинга; – параметр тропосферной задержки в направлении зенита станции мониторинга, и функция отображения, соответствующая ему, представляет собой ; c – скорость света в вакууме; и – соответственно сдвиги часов спутника и часов приёмника; , где f_i – частота несущей в точке i частоты, а ее соответствующая длина волны представляет собой ; – наклонная ионосферная задержка; и – соответственно аппаратные задержки псевдодальности и фазы несущей на стороне приемника; и – аппаратные задержки псевдодальности и фазы несущей на стороне спутника; - параметр целочисленной неоднозначности.

[0053] В уравнении выше коррекции ошибок, такие как сдвиг и изменение фазы антенны, набег фазы, релятивистский эффект сдвига часов спутника, и ошибки, такие как многолучевое распространение и шумы значений наблюдения, игнорируются.

[0054] В уравнении (1) параметр тропосферной задержки и сдвиг часов приёмника связаны только со станцией мониторинга, сдвиг часов спутника связано только со спутником, параметр наклонной ионосферной задержки связан со станцией мониторинга и спутником, а параметры аппаратной задержки псевдодальности и фазы несущей со стороны спутника или со стороны приёмника в основном связаны со станцией мониторинга, спутником, типами значений наблюдения, частотой отслеживания и т.п. соответственно.

[0055] При обработке данных разные типы комбинаций значений наблюдения фазы и псевдодальности часто строятся по необходимости, причём, поскольку влияние ионосферы первого порядка исключается в комбинации без ионосферы, то широко используется построение модели наблюдения для высокоточной обработки данных, которая может быть выражена в виде:

. (2)

[0056] В уравнении и – соответственно значения наблюдения псевдодальности и фазы комбинации без ионосферы, и – соответственно аппаратные задержки значений наблюдения псевдодальности и фазы комбинации без ионосферы со стороны приёмника, значения которых представляют собой:

. (3)

[0057] Аналогично аппаратные задержки и значений наблюдения псевдодальности и фазы комбинации без ионосферы со стороны спутника соответственно представляют собой:

. (4)

[0058] В уравнении

– длина волны значений наблюдения комбинации без ионосферы; – соответствующий параметр целочисленной неоднозначности, значение которого представляет собой:

. (5)

[0059] Принимая во внимание корреляцию каждого параметра в уравнении (2) со станциями мониторинга, спутниками и частотами сигналов и т.д., для многосистемных наблюдений уравнение (2) может быть расширено до:

, (6)

где S обозначает систему GNSS и систему LEO-спутников. Для навигационных спутниковых систем GPS, GALILEO, ГЛОНАСС и Beidou и т.п., которые используют технологию множественного доступа с кодовым разделением, частоты несущей их разных спутников являются одинаковыми, поэтому аппаратные задержки значений наблюдения псевдодальности и фазы несущей со стороны приемника являются одинаковыми для всех спутников одной системы. Однако, поскольку система ГЛОНАСС использует технологию множественного доступа с частотным разделением, её соответствующие аппаратные задержки псевдодальности и фазы со стороны приемника также связаны со спутником (частотой), и разные спутники ГЛОНАСС (частота) соответствуют разным аппаратным задержкам со стороны приёмника.

[0060] Так как в модели определения точной орбиты смещения часов навигационных спутников будут компенсировать аппаратную задержку – псевдодальности со стороны спутника во время оценки, а аппаратная задержка псевдодальности со стороны приёмника будет компенсироваться сдвигом – часов приёмника, модель наблюдения в это время представляет собой:

, (7)

где ,

.

[0061] Когда многорежимная навигационная система обрабатывается в комбинации, в общем оценивается только один параметр смещения часов приёмника, но вышеупомянутое указывает на то, что параметр сдвига часов приёмника будет компенсировать аппаратную задержку значения наблюдения псевдодальности со стороны приёмника, и этот параметр задержки связан с частотой сигнала и навигационной системой, что, таким образом, приводит к тому, что разные системы соответствуют разным смещениям часов приемника. Если смещение часов приёмника, соответствующее системе GPS, принимается в качестве эталона, модель наблюдения других систем может быть переписана в виде:

, (8)

где – различие между аппаратными задержками псевдодальности двух системы со стороны приёмника, то есть смещение кода.

[0062] Если учитывается различие эталонов времени между разными навигационными системами, необходимо вводить дополнительный параметр постоянного сдвига в это время, и параметр постоянного сдвига вместе с параметром DCB будет образовывать параметр межсистемного сдвига (ISB). Для навигационных систем, использующих множественный доступ с кодовым разделением, все их спутники соответствуют одним и тем же параметрам ISB, и, поскольку система ГЛОНАСС использует технологию множественного доступа с частотным разделением, её разные спутники (частоты) соответствуют разным параметрам ISB, и в это время параметры ISB представляют собой фактически комбинацию разных межсистемных сдвигов кода, различий эталонов времени и межчастотных смещений (IFB) разных спутников в системе ГЛОНАСС. Как и спутниковая навигационная система, группировка LEO-спутников имеет такую же математическую модель позиционирования, что и связанная система GNSS, и может рассматриваться как новая навигационная система, и необходимо только оценивать дополнительные параметры ISB.

[0063] Уравнение (8) линеаризуется с начальными значениями параметров, таких как заданная орбита спутника, сдвиг часов и т.п. Неизвестные параметры в основном включают в себя: параметры орбиты GNSS и LEO-спутников, параметры положения наземной станции, сдвиг часов приёмника наземной станции отслеживания, сдвига часов GNSS и LEO-спутников, неоднозначность фазы несущей, тропосферная задержка в зените, ISB/IFB и т.д.

, (9)

где

,

– расстояние от спутника до Земли, вычисленное на основе начальных значений положения GNSS или низкоорбитального спутника и положения станции мониторинга, может быть выражено в виде:

, (10)

где

– функция параметров орбиты спутника на орбитальной дуге.

[0064] В уравнении (9) и – значение направляющего косинуса сигнала наблюдения, а получается путём решения вариационного уравнения. В дополнение, частная производная модели наблюдения по сдвигу часов приёмника, сдвигу часов спутника и ISB/IFB равна 1; частная производная модели наблюдения по параметру неоднозначности представляет собой длину λ волны несущей; частная производная модели наблюдения по параметру тропосферной задержки в зените представляет собой .

[0065] Модель наблюдения после линеаризации в комбинации используется для построения нормальных уравнений, и связанные параметры решаются по критерию наименьших квадратов. Поскольку сдвиг часов приёмника, сдвиг часов спутника, ISB и другие параметры коррелированы, необходимо добавлять основные ограничения при решении. Когда ограничивающее сдвиг часов станции мониторинга находится в пределах системного времени CST системы дифференциальной коррекции LEO-группировки, могут быть получены сдвиги часов и соответствующие параметры ISB/IFB всех спутников и приёмников в этой системе. После того, как получен параметр орбиты спутника путям решения, получается непрерывный вид орбиты посредством кинетической интеграции.

[0066] В практических применениях после того, как пользовательский терминал принимает данные GNSS, информация дифференциальной коррекции спутниковой навигационной системы и навигационная информация LEO-спутников передаётся со спутника на наземную станцию LEO-спутниками при вычислении эталона времени и пространства пользователя, поскольку навигация и орбита LEO-спутников и информация дифференциальной коррекции навигационной системы известны, и нет необходимости их оценивать, и в это время уравнение (9) может быть переписано в виде:

, (11)

где и и параметры ISB/IFB - положение и сдвиг часов наземного пользователя в конкретной рамке времени и пространства, которые могут быть решены путям использования пакетной обработки на основе наименьших квадратов или могут быть обработаны с помощью алгоритма фильтрации.

[0067] Фиг. 4 представляет структурную схему системы позиционирования с дифференциальной коррекцией навигации, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки. Как показано на фиг. 4, система включает в себя: LEO-группировку, которая обеспечивает стабильное покрытие мира или конкретных зон обслуживания; и наземную систему эксплуатации и управления, которая выполняет экономическое вычисление и обработку и управляет и контролирует спутники и группировки; и приёмник пользователя, который принимает прямые сигналы навигационных спутников и прямые сигналы LEO-спутников и выполняет вычислительную обработку для точного позиционирования, синхронизации и измерения скорости.

[0068] Группировка LEO-спутников (с высотой от 600 до 1200 км) сконфигурирована с высокоточными эталонами частоты, принимает в реальном времени информацию наблюдения навигационных спутников GNSS и генерирует и передаёт прямые сигналы навигации, несущие информацию дифференциальной коррекции навигации; наземная система эксплуатации и управления включает в себя главную станцию управления, станцию подачи сигнала и станцию мониторинга; главная станция управления, станция подачи сигнала, станция мониторинга и спутники LEO-группировки образуют спутниковую наземную интегрированную систему.

[0069] Фиг. 5 представляет структурную схему наземной системы эксплуатации и управления в системе с дифференциальной коррекцией навигации, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки. Как показано на фиг. 5, система включает в себя главную станцию управления, станцию подачи сигнала и станцию мониторинга. Станция мониторинга собирает информацию наблюдения спутников GNSS и LEO-спутников и отправляет собранную информацию наблюдения спутников GNSS и LEO-спутников на главную станцию управления; главная станция управления согласно информации о положении LEO-спутников и станции мониторинга и различным типам информации наблюдения генерирует информацию дифференциальной коррекции навигационных спутников, такую как точные орбиты и точные сдвиги часов и т.п. и точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, и после размещения формирует информацию дифференциальной коррекции GNSS и навигационные телеграммы LEO-спутников и отправляет их на станцию подачи сигнала; станция подачи сигнала отправляет информацию дифференциальной коррекции GNSS и навигационные телеграммы LEO-спутников LEO-спутникам.

[0070] Фиг. 6 представляет структурную схему главной станции управления наземной системы эксплуатации и управления в системе с дифференциальной коррекцией навигации, предложенной вариантом осуществления настоящей заявки. Как показано на фиг. 6, система включает в себя первый вычислительный блок 601, второй вычислительный блок 602 и блок 603 размещения информации, причем первый вычислительный блок 601 выполнен с возможностью вычисления точной орбиты и точного сдвига часов спутника GNSS согласно его собственной информации о физическом положении, данным GNSS, собранным приёмником на спутнике LEO-спутников, и информации наблюдения спутника GNSS и LEO-спутников; второй вычислительный блок 602 выполнен с возможностью вычисления эталона времени системы согласно её собственной информации о физическом положении, данным GNSS, собранным приёмником на спутнике LEO-спутников, и информации наблюдения спутника GNSS и LEO-спутников и вычисления точных орбит и точных сдвигов часов спутников и относительного сдвига часов GNSS относительно системного эталона времени согласно системному эталону времени; блок 603 размещения информации выполнен с возможностью соответственной генерации информации дифференциальной коррекции GNSS и навигационных телеграмм LEO-спутников согласно точной орбите и точному сдвигу часов спутника GNSS и точным орбитам и точным сдвигам часов LEO-спутников и отправки информации дифференциальной коррекции GNSS и навигационных телеграмм LEO-спутников на станцию подачи сигнала.

[0071] В варианте осуществления первый вычислительный блок 601 выполнен с возможностью построения модели наблюдения GNSS; согласно её собственной информации о физическом положении, данным GNSS, собранным приёмником на спутнике LEO-спутников, и информации наблюдения спутника GNSS и LEO-спутников, выполнения обработки линеаризации на модели наблюдения; вычисления линеаризованной модели наблюдения путём использования метода наименьших квадратов или фильтрации для получения точной орбиты и точного сдвига часов навигационных спутников.

[0072] Вычислительный блок 601 дополнительно выполнен с возможностью предварительной конфигурации основных условий ограничения; при основных условиях ограничения вычисления линеаризованной модели наблюдения путём использования метода наименьших квадратов или фильтрации.

[0073] Необходимо отметить, что работа второго вычислительного блока 602 для вычисления точных орбит и точных сдвигов часов LEO-спутников аналогична работе первого вычислительного блока 601 для вычисления точной орбиты и точного сдвига часов GNSS и не будет описана в варианте осуществления настоящей заявки. Для сходств, пожалуйста, обращайтесь к варианту осуществления первого вычислительного блока.

[0074] Относительно варианта осуществления системы, поскольку он в общем аналогичен варианту осуществления способа, его описание является относительно простым, и для связанных частей, пожалуйста, обращайтесь к части описания варианта осуществления способа.

[0075] Способ и система с дифференциальной коррекцией навигации, предложенные вариантами осуществления настоящей заявки, интегрируют высоко-, средне- и низкоорбитальные навигационные спутники и полностью используют преимущества для обеспечения того, что результаты позиционирования, измерения скорости и синхронизации для пользователей являются непрерывными, эффективными и надёжными, и достигают быстрых или даже мгновенных высокоточных услуг в крупномасштабном диапазоне.

1. Способ дифференциальной коррекции навигации, содержащий этапы, на которых:

передают с помощью спутников на низкой околоземной орбите (LEO) прямые сигналы навигации, и информацию дифференциальной коррекции навигации, и точные орбиты, и точные сдвиги часов спутников на низкой околоземной орбите;

выполняют точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию с помощью приёмника пользователя согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников и прямым сигналам навигации LEO-спутников, информации дифференциальной коррекции навигации, точным орбитам и точным сдвигам часов спутников на низкой околоземной орбите, передаваемым LEO-спутниками.

2. Способ по п. 1, в котором LEO-группировка содержит множество LEO-спутников, распределённых на множестве орбитальных плоскостей, и множество LEO-спутников передают прямые сигналы навигации на основе высокоточных эталонов времени и частоты через конкретные полосы частот,

информация дифференциальной коррекции навигации содержит по меньшей мере одно из следующего: точные орбиты и смещения часов навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы GNSS, число коррекции фазового смещения навигационных спутников, число коррекции фазового смещения LEO-спутников и информация параметров модели ионосферы.

3. Способ по п. 2, в котором до передачи с помощью LEO-спутников прямых сигналов навигации, информации дифференциальной коррекции навигации и точных орбит и сдвигов часов спутников на низкой околоземной орбите, дополнительно содержатся этапы, на которых:

собирают с помощью станции мониторинга наземной системы эксплуатации и управления первую информацию наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников и отправляют собранную первую информацию наблюдения на главную станцию управления наземной системы эксплуатации и управления;

наблюдают с помощью LEO-спутников за навигационными спутниками для получения второй информации наблюдения и отправляют вторую информацию наблюдения на главную станцию управления по сети связи, включающей в себя межспутниковую линию и линию «спутник - Земля»;

генерируют с помощью главной станции управления информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников, включающую в себя точные орбиты и сдвиги часов LEO-спутников, на основе первой информации наблюдения и второй информации наблюдения и отправляют информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников на станцию подачи сигнала наземной системы эксплуатации и управления,

отправляют с помощью станции подачи сигнала информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников LEO-спутникам и генерируют с помощью LEO-спутников прямые сигналы навигации LEO-спутников на основе информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационной информации LEO-спутников.

4. Способ по п. 1, в котором навигационные спутники содержат по меньшей мере одну из спутниковых навигационных систем: глобальная система позиционирования GPS, США, Beidou, Китай, Galileo, ЕС, и российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС.

5. Способ по п. 1, в котором данные наблюдения для точного позиционирования, измерения скорости и синхронизации с помощью приёмника пользователя включают в себя по меньшей мере одно из следующего: данные наблюдения псевдодальности навигационных спутников и LEO-спутников, данные наблюдения фазы несущей навигационных спутников и LEO-спутников и доплеровские данные наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников.

6. Способ по п. 1, в котором, когда приёмник пользователя выполняет точное позиционирование, измерение скорости и синхронизацию согласно прямым сигналам навигации навигационных спутников, прямым сигналам навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации LEO-спутников, режим обработки приёмника пользователя содержит: режим плавающего решения неоднозначности LEO-спутников с дифференциальной коррекцией или режим фиксированного решения неоднозначности LEO-спутников с дифференциальной коррекцией.

7. Система дифференциальной коррекции навигации, содержащая:

LEO-группировку, которая содержит множество LEO-спутников, распределённых на множестве орбитальных плоскостей, и выполнена с возможностью обеспечения стабильного покрытия мира или конкретных зон обслуживания;

наземную систему эксплуатации и управления, которая выполнена с возможностью выполнения экономического вычисления и обработки и управления и контроля спутников и группировок;

приёмник пользователя, который выполнен с возможностью приёма прямых сигналов навигации, передаваемых соответственно навигационными спутниками и LEO-спутниками, а также информации дифференциальной коррекции навигации, передаваемой LEO-спутниками, и выполнения точного позиционирования, измерения скорости и синхронизации на основе прямых сигналов навигации навигационных спутников, прямых сигналов навигации LEO-спутников и информации дифференциальной коррекции навигации, передаваемой LEO-спутниками.

8. Система по п. 7, в которой LEO-спутники LEO-группировки сконфигурированы с высокоточными эталонами частоты для приёма в реальном времени информации наблюдения навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы GNSS и генерации и передачи прямых сигналов навигации, несущих информацию дифференциальной коррекции навигации.

9. Система по п. 7, в которой наземная система эксплуатации и управления содержит главную станцию управления, станцию подачи сигнала и станцию мониторинга; главная станция управления, станция подачи сигнала, станция мониторинга и LEO-спутники LEO-группировки образуют спутниковую наземную интегрированную систему, и рабочий процесс спутниковой наземной интегрированной системы выглядит следующим образом:

станция мониторинга собирает информацию наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников и отправляет собранную информацию наблюдения спутников GNSS и LEO-спутников на главную станцию управления,

главная станция управления согласно её собственной информации о положении и различным типам информации наблюдения генерирует информацию дифференциальной коррекции навигационных спутников, включающую в себя точные орбиты и точные сдвиги часов и точные орбиты и точные сдвиги часов LEO-спутников, и принимает меры для формирования информации дифференциальной коррекции навигации и навигационной информации LEO-спутников и отправляет информацию дифференциальной коррекции GNSS и навигационную информацию LEO-спутников на станцию подачи сигнала,

станция подачи сигнала отправляет информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационную информацию LEO-спутников LEO-спутникам,

LEO-спутники вычисляют и прогнозируют точные сдвиги часов спутников и размещают точные сдвиги часов LEO-спутников для формирования навигационных телеграмм, генерируют прямые сигналы навигации и передают пользователям после приёма информации дифференциальной коррекции навигации и навигационной информации LEO-спутников;

приёмник пользователя принимает и измеряет сигналы навигационных спутников и сигналы LEO-спутников и анализирует информацию дифференциальной коррекции навигации и навигационные телеграммы LEO-спутников для выполнения решения высокоточного позиционирования, измерения скорости и синхронизации.

10. Система по п. 7, причём система строит интегрированную межспутниковую и «спутник - Земля» сеть для равномерной передачи множества типов информации.

11. Система по п. 9, в которой главная станция управления содержит

первый вычислительный блок, который выполнен с возможностью вычисления точной орбиты и числа коррекции сдвига часов навигационных спутников согласно информации о положении самой главной станции управления, собранным данным приёмника на спутнике LEO-спутников и данным наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников на станции мониторинга,

второй вычислительный блок, который выполнен с возможностью вычисления системного эталона времени согласно его собственной информации о положении, собранным данным приёмника на спутнике LEO-спутников и данным наблюдения навигационных спутников и LEO-спутников на станции мониторинга и вычисления точных орбит и точных сдвигов часов спутников и относительного сдвига часов навигационных спутников согласно системному эталону времени,

блок размещения информации, который выполнен с возможностью соответственной генерации навигационных телеграмм согласно точной орбите и числу коррекции сдвига часов спутника и точным орбитам и точным сдвигам часов LEO- навигационных спутников и отправки навигационных телеграмм на станцию подачи сигнала для подачи на LEO-спутники.