СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КУРСОВОГО УГЛА И КООРДИНАТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПО РАДИОСИГНАЛАМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 1998 года по МПК G01S5/02 

Изобретение относится к космической радионавигации, геодезии и может быть использовано для определения курсового угла и координат местоположения объектов.

Известен способ определения местоположения и курсового угла объектов по навигационным радиосигналам космических аппаратов (КА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) с использованием измеренных псевдодальностей с помощью четырех антенно-приемных устройств сигналов спутников, антенны которых установлены на объектах таким образом, что они образуют прямоугольную систему координат (Applications of Navstar GPS fo presion attitude determination Roht Ben. D., Singh Ram-Nandan P. "Proc. 4 th. Geod. Symp Sattel. Position., Austin, Tex. 28.Apr.-28 Max, 1986, v.2." S.1, 2, 1345 -1359, прототип).

Недостатками этого способа являются:
погрешности навигационных определений обусловленные нестабильностью частот радиосигналов навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ) и генераторов объектов;
погрешности измерений, определений, обусловленных угловым перемещением антенн объектов в процессе их движения.

Для оценки точности измерений приращений фаз с использованием CCH используется выражение дисперсии ε2ф

(Бортовые устройства спутниковой навигации. /Под ред. В.С. Шебшаевича.- М.: Транспорт, 1988)
,
где
λ_н -длина волны несущей частоты;
B_ссн -ширина полосы схемы слежения за несущей;
P_c/P_ш - отношение мощности сигнала к спектральной мощности шума;
π = 3,1415... .

Погрешности измерений приращения фаз, например, на частоте f ≈ 1600 МГц глобальной позиционной системы ( ) при P_с/P_ш = 30 дБ Гц и B_ссн = 20 Гц составят 0,62 см.

В CPHC материальным носителем информации о взаимном положении и относительном перемещении в пространстве объекта навигации и навигационной точки (НИСЗ) является электромагнитная волна, распространяющаяся в среде между антеннами этих двух объектов. Эта информация содержится в параметрах сигналов, излучаемых навигационными КА, поэтому в CPHC в процессе измерений радионавигационных параметров устанавливается функциональная связь не между КА и определяющимися объектами, положение которых в пространстве определяется положением их центров масс в некоторой системе координат, а между фазовыми центрами антенн объектов и навигационным искусственным спутником Земли (НИСЗ). Следовательно, фазовый центр антенн является точкой отсчета координат местоположение и точкой отсчета навигационного параметра как НИСЗ, так и определяющихся объектов.

Физически фазовый центр - это точка, из которой для наблюдателя, находящегося в дальней зоне антенны, исходят (входят) сферические электромагнитные волны излучаемого (принимаемого) поля. Как известно, сферический волновой фронт электромагнитной волны дают точечные излучатели. Реально на практике антенны в зависимости от рабочего диапазона частот, от конструкции занимает вполне определенный конкретный объем, поэтому определение, например, базы интерферометра как расстояние между антеннами технически некорректно. Точность знания длины базы интерферометра, ее ориентации в пространстве определяют точность определения угловых координат, а в целом точность решения навигационной задачи, определяющимися объектами.

В соответствии с вышеизложенным водится понятие "фазового центра" антенны. Соответственно расстояние между антеннами, являющееся базой радиоинтерферометра, будет определяться как расстояние между фазовыми центрами антенн.

Цель изобретения - повышение точности определения курсового угла и координат местоположения объектов по навигационным радиосигналам КА СРНС.

Цель достигается за счет:
новой совокупности действий над принимаемыми спутниковыми радионавигационными сигналами;
выделения в ведущих и ведомых антенно-приемных устройствах интерферометра сигналов с доплеровским смещением частоты путем возведения принятых спутниковых радиосигналов в квадрат и их фильтрации с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частоты;
измерения на мерном интервале приращений фаз, обусловленных доплеровским сдвигом частоты путем использования квадратурных фазовых детекторов, на первые выходы которых поступают сигналы с доплеровским сдвигом частоты, а на вторые - сигнал опорного генератора;
определения разности хода радиосигналов между фазовым центром антенны спутника и фазовыми центрами антенн интерферометра как разность измеренных на мерном интервале приращений фаз, обусловленных доплеровским смещением частоты.

Геометрическая интерпретация предлагаемого способа поясняется на примере одной ортогональной базы, образованной двумя фазовыми центрами антенн интерферометра ФЦ1 и ФЦ2 и тремя положениями фазового центра одного и того же спутника (фиг.1).

Точками T₁, T^*, T₂ (фиг.1) обозначены положения фазового центра антенны спутника на орбите, являющиеся границами отсчетов навигационного параметра. Использование теоремы косинусов и разложения в ряд с членами не выше второго порядка для трех положений фазового центра антенны НИСЗ, позволяет получить:
для фазового центра ФЦ1 антенны Ан1 определяющегося объекта
.

для фазового центра ФЦЗ антенны АнЗ
.

Таким образом, каждая разность хода радиосигналов ΔR₁(t^*) , ΔR₃(t^*) дает информацию о проекции пути пройденного фазовым центром антенны НИСЗ из точки T₁ в точку T₂ на направление прямых R₁(t^*), R₃(t^*) соединяющих точку T^* (положение фазового центра антенны НИСЗ в момент времени T³) с фазовыми центрами Ан1 и Ан2.

Вторично используя теорему косинусов и разложения в ряд с членами не выше второго порядка для фазового центра антенны НИСЗ, находящегося в точке T^*, позволяет получить
.

Как отмечалось выше, дальности R₁(t^*) и R₃(t^*) содержат в себе проекции пути, пройденные фазовым центром антенны НИСЗ из точки T₁ в точку T₂. Поэтому, беря разницу расстояний ΔR_1,3(t^*) = R₁(t^*)-R₃(t^*), находим информацию о проекции разности хода радиосигналов между фазовым центром антенны Н НИСЗ, находящегося в точке T^* и фазовыми центрами антенны интерферометра определяющегося объекта

Двойная разность дальностей ΔR_1,3(t^*) - разность приращений дальности R(t) дает информацию о проекции базового расстояния d₁ между фазовыми центрами антенн объекта Ан1, Ан3 на направление прямой R(t^*), соединяющей среднюю точку базы с фазовым центром антенны НИСЗ в момент времени T^*

Аналогичным образом выводится соотношение разности приращений дальности для второй ортогональной пары интерферометра

В соответствии с вышеизложенным разностям приращений дальностей - разностям хода радиосигналов между фазовым центром антенны спутника и фазовыми центрами антенн интерферометра в каждой взаимно-ортогональной базе, выражения (1) и (2) соответствуют разности измеренных на мерном интервале приращений фаз,
обусловленных доплеровским смещением частоты

где
cosθ_x,cosθ_y - направляющие косинусы.

Направляющими косинусами cosθ_x,cosθ_y,cosθ_z называются косинусы углов между отрезком R(t^*), соединяющим середину базы интерферометра с фазовым центром антенны НИСЗ и положительными направлениями осей OX, OY, OZ соответственно
,
где
X, Y, Z - известные координаты фазового центра антенны спутника;
X₀, Y₀, Z₀ - неизвестные координаты фазового центра антенны определяющегося объекта.

Навигационные измерения с использованием интерферометров, позволяют реализовать азимутальный способ определения координат местоположения объектов, угломерно-дальномерный способ с использованием направляющих косинусов и т.д. Выше приведены функциональные зависимости между известными координатами фазового центра антенны НИСЗ и известными координатами середины баз интерферометра определяющегося объекта через направляющие косинусы
ΔΔϕ_1,3(t) = Δϕ₁(t)-Δϕ₃(t) ,
где
Δψ₁(t),Δψ₃(t) - приращение фаз, обусловленных доплеровским смещением частоты, измеренные с использованием сигналов первого и третьего антенно-приемных устройств.

Разность хода спутникового навигационного радиосигнала принятых антенно-приемными устройствами каждой взаимно-ортогональной парой интерферометра называют разность аргументов синусоидальной или косинусоидальной функции, описывающей этот сигнал.

В общем случае он содержит несколько составляющих, обусловленных различными причинами. Так, в гармоническом колебании вида
u = Ucos[ωt+ϕ(t)+ϕ_нач],
имеем
ωt - линейно нарастающую фазу;
ϕ(t) - детерминированную или случайную функцию, отображающую процесс фазовой модуляции или действия помех;
ϕ_нач - начальную фазу, т.е. фазу при t=0,ϕ(t)=0.
В соответствии с изложенным принимаемые спутниковый навигационный сигнал первым и третьим антенно-приемными устройствами интерферометра можно описать выражениями:

где t₁, t₃ - время распространения навигационного сигнала от фазового центра антенн НИСЗ до фазовых центров антенн АН1, Ан3 соответственно

F_y1, F_y3 - доплеровские сдвиги частот, принятые первым и третьим антенно-приемными устройствами соответственно;
f_н - несущая частота.

Несущая частота - частота гармонического колебания, подвергающая модуляции с целью передачи информации.

Разность хода сигналов принятых антенно-приемными устройствами интерферометра можно измерить и по разности фаз несущей f_н, тогда требуется знание составляющих 2πF_д и по разности фаз доплеровских смещений частоты, тогда требуется знание составляющей 2πf_н.

Квадратурные фазовые детектора именно те устройства, которые позволяют на выходе без знания f_н получить приращения фаз, обусловленные доплеровским смещением частоты, соответствующие приращениям дальности между фазовым центром антенны НИСЗ и фазовыми центрами антенн интерферометра. Беря взаимные разности приращений фаз, определяют разности хода сигналов соответствующие выражениям (1) и (2).

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства, позволяющее измерить приращения фаз Δϕ(t), обусловленные доплеровским смещением частоты на примере работы одного антенно-приемного устройства радиосигналов КА СРНС ГЛОНАСС, GPS. Квадратурному детектированию подвергаются преобразованные принимаемые сигналы, у которых снимается фазовая модуляция посредством возведения в квадрат и фильтрации с последующим возвратом на исходную частоту. Амплитудная модуляция снимается с помощью усилителя-ограничителя.

На фиг.2 показаны: 1, 6, 7 и 9 - умножители напряжений; 2,5 и 8 - фильтры нижних частот; 3, 13 и 15 - фазовращатели; 4 - подстраиваемый генератор; 10 - полосовой фильтр; 11- усилитель-ограничитель; 12-делитель частоты; 14 и 17 - фазовые детекторы; 16 - сумматор напряжений; 18 - опорный генератор.

При этом необходимо четко представлять, что, возводя принятые преобразованные спутниковые радионавигационные сигналы в квадрат и фильтрации их с последующим возвратом на исходную частоту, можно выделить как несущую частоту, определение которой дано выше, так и доплеровские смещения.

С выходом устройств свертки приемников спутниковых сигналов КА ГЛОНАСС, GPS, сигналы которых поступают на ФАПЧ ССН рис. 2 в режиме синхронизма по задержкам дальномерных кодов, являются значительно узкополостными сигналами промодулированные цифровой информацией. Диапазон изменения значений несущих частот определяется в основном доплеровским смещением (± 50 кГц), а ширина спектра сигнала - спектром цифровой информации (±50 Гц). Системы ФАПЧ могут отслеживать сигналы соответствующие только одной из двух боковых полос, и, следовательно, обладают энергетическими потерями равными 3 дБ. Подключение же устройств выделения из принятых навигационных сигналов доплеровских смещений частоты предлагаемого способа из вторых боковых полос, не вносит дополнительные энергетические потери. При реализации предлагаемого способа для измерений приращений дальности (приращения фаз) сигналы ССН не используются. Поэтому в измерениях отсутствуют погрешности, обусловленные ССН и присущие прототипу.

Поскольку собственные шумы приемных каналов независимы, то удвоение амплитуд суммарных сигналов на выходах квадратурных фазовых детекторов приводит к снижению потенциальной дисперсии фазовых отсчетов в два раза. В результате повышается как точность радионавигационных измерений, так и точность решения навигационной
Отличительные признаки предлагаемого способа:
выделение в ведущих и ведомых антенно-приемных устройствах сигналов с доплеровским смещением частоты путем возведения принятых преобразованных спутниковых радионавигационных в квадрат, их фильтрации и снятии амплитудной модуляции с последующим возвратом на искомые частоты с использованием делителей частоты;
измерение на мерном интервале приращений фаз, обусловленных доплеровским смещением частоты путем использования квадратурных фазовых детекторов, на первые входы которых поступают сигналы с доплеровским смещением частоты, а на вторые входы сигнал опорного генератора;
определение разности хода радиосигналов между фазовым центром спутника и фазовыми центрами антенн интерферометра как разность измеренных на мерном интервале приращений фаз, обусловленных доплеровским смещением частоты.

Таким образом, предлагаемый способ определения курсового угла и координат местоположения объектов по радионавигационным сигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем обладают новизной, существующими отличиями и дает положительный эффект, заключающийся в повышении точности навигационных определений.

Способ определения курсового угла и координат местоположения объектов относится к космической радионавигации и геодезии и заключается в том, что принимают каждым из четырех антенно-приемных устройств, установленных на объектах, навигационные радиосигналы спутников, при этом антенны четырех антенно-приемных устройств образуют прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объектов, определяют псевдодальности, определяют разность дальностей путем их взаимного вычитания, определяют координаты местоположения и курсовой угол, причем прием каждым антенно-приемным устройством навигационного радиосигнала одного и того же спутника производят одновременно, определяют приращения дальностей путем измерения на мерном интервале приращений фаз, обусловленных допплеровскими сдвигами несущей частоты с использованием систем фазовых автоподстроек частоты, и определяют разности приращений дальностей во взаимно-ортогональных базах путем взаимного вычитания измеренных приращений фаз. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения курсового угла и координат местоположения объектов по радионавигационным сигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем, в котором принимают каждым из четырех антенно-приемных устройств, установленных на объекте, навигационные радиосигналы спутников, при этом антенны четырех антенно-приемных устройств образуют прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объекта, определяют псевдодальности, определяют разности псевдодальностей путем их взаимного вычитания, определяют координаты местоположения и курсовой угол, отличающийся тем, что производят одновременный прием каждым антенно-приемным устройством навигационного радиосигнала одного и того же спутника, определяют на мерном интервале приращения дальностей между фазовым центром антенны спутника и фазовыми центрами антенны интерферометра путем измерения приращений фаз, обусловленных доплеровскими сдвигами несущей частоты с использованием систем фазовых автоподстроек частот, и определяют разности приращений дальностей во взаимно ортогональных базах путем взаимного вычитания измеренных приращений фаз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приращения дальностей на мерном интервале определяют путем измерения приращений фаз, выделив доплеровские сдвиги частоты несущих возведением вторых боковых полос принятых и преобразованных спутниковых навигационных радиосигналов в квадрат с последующим возвратом на искомые частоты с использованием делителей частот и квадратурных фазовых детекторов, на первые входы которых подают сигналы искомых частот, а на вторые входы подают сигнал опорного генератора, и умножения выделенных доплеровских сдвигов частот на мерный интервал.