СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01S3/00 G01S5/00 

Изобретение относится к области навигации и может использоваться при разработке и модернизации аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой осуществляется измерение псевдодальностей до навигационных спутников по фазе несущих частот.

Применение СРНС для высокоточной навигации, определения ориентации потребителя в пространстве и геодезических работ требует специальных способов обработки навигационных радиосигналов - фазовых измерений на несущих частотах (НЧ). Это позволяет измерять псевдодальности до навигационных искусственных спутников земли (НИСЗ) с ошибкой менее одного сантиметра и получить точность навигационных определений (НО) порядка единиц сантиметров. Основной проблемой, возникающей при таких измерениях, является проблема устранения неоднозначности фазовых измерений, то есть проблема согласования шкал измерений на фазах НЧ и шкалы измерений на фазе дальномерного кода (ДК).

Условие согласования шкал для СРНС заключается в том, что удвоенная погрешность измерения фазы ДК, выраженная в метрах, должна быть меньше длины волны НЧ, на которой производятся измерения фазы. Ошибка измерения фазы ДК может быть определена по формуле:

где Δ - длительность элемента ДК в метрах, C/N₀ - отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума на входе приемника, а B_ССЗ - эквивалентная шумовая ширина полосы схемы слежения за задержкой ДК. Длительность элемента кода высокой точности в СРНС ГЛОНАСС составляет 58,71 м, а в НАВСТАР - 29,32 м. Эквивалентная шумовая ширина полосы в современных образцах аппаратуры потребителя типа Бриз (СН-3601, СН-3706) составляет 1 Гц. При отношении сигнал/шум 40 дБГц, ошибки измерения фазы ДК составляют 0,42 м и 0,21 м для ГЛОНАСС и НАВСТАР соответственно. Таким образом, условие согласования шкал не выполняется и возникает проблема неоднозначности фазовых измерений, заключающаяся в нахождении целого числа длин волн, укладывающихся в измеряемой псевдодальности, и последующего вычисления псевдодальности с точностью до фазы НЧ.

Известен способ разрешения неоднозначности путем дополнительных измерений на разности несущих частот [1, стр.306], в котором диапазон однозначных измерений расширяется за счет использования синтезированной длины волны где С - скорость света, а f₁ и f₂ - несущие частоты. Этот способ обеспечивает увеличение диапазона приблизительно в 4,5 раза на длине волны λ₁, однако снижает точность и надежность фазовых измерений и может применяться только при достаточно высоком отношении сигнал/шум, когда ошибка измерения фазы ДК не превышает диапазон однозначного измерения фаз.

Известны также способы разрешения неоднозначности на основе минимума среднеквадратической погрешности места определения [1, стр.306], метода наименьших квадратов и функции неоднозначности [2, стр. 132], являющиеся частными случаями метода максимального правдоподобия. Все эти методы требуют избыточной информации, получаемой за счет увеличения числа измерителей и времени получения измерений, что приводит к усложнению аппаратуры потребителя и снижению надежности НО.

Целью изобретения является разрешение неоднозначности фазовых измерений в СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, повышение надежности НО при измерениях по фазе НЧ и улучшение массогабаритных характеристик аппаратуры потребителя СРНС.

Предлагаемый способ разрешения неоднозначности фазовых измерений заключается в том, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении c погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ - длины волн на НЧ f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на НЧ f₁

и f₂

с точностью до фазы несущей.

Выбранное отношение НЧ позволяет расширить диапазон однозначного измерения фаз в 9 раз на частоте f₁ и в 7 раз на частоте f₂ путем синтеза волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел [3] . Такое расширение диапазона позволяет разрешать неоднозначность при более низком отношении сигнал/шум, обеспечить согласование измерительных шкал при более широкой эквивалентной шумовой полосе схемы слежения за задержкой и не требует дополнительных измерений. Технический результат заключается в расширении диапазона однозначного измерения фаз и определении псевдодальностей до НИСЗ с точностью до фаз несущих частот.

Предложенный способ разрешения неоднозначности фазовых измерений отличается тем, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении с погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ - длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн и оценку целого числа длин волн укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на несущих частотах f₁ и f₂ c точностью до фазы несущей.

Изобретение основано на использовании фазовых измерений на двух НЧ, измерений псевдодальности с использованием ДК высокой точности, синтеза дополнительной длины волны и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел.

Предложенный способ разрешения неоднозначности может быть реализован в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой измеряются фазы несущих частот (например, Бриз СН-3601, СН-3706). В этой аппаратуре измерения фаз НЧ выполняются с погрешностью 4 мм, что составляет приблизительно 0,022 фазового цикла. Для ГЛОНАСС отношение НЧ является точным а для системы НАВСТАР точное отношение с использованием алгоритма Евклида для нахождения подходящих дробей, аппроксимируется отношением с погрешностью Такая аппроксимация позволяет унифицировать способ разрешения неоднозначности для СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР и выполнить условие согласования НЧ между собой.

Источники информации:
1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы /B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич и др.: Под ред. B.C. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993.-408 с.

2. Frank van Graas GNSS Augmentation for High Precision Navigation Services. //AGARD- LS-207, FRANCE, 1996, 128-141 c.

3. Виноградов И.М. Основы теории чисел, Москва, 1953. - 180 с.

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и НАВСТАР заключается в том, что измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до π на двух несущих частотах f₁ и f₂, находящихся в заданном отношении ≈ 9/7 относительно друг друга, затем синтезируют длину волны Λ₀ = 9λ₁ = 7λ₂, где λ₁ и λ₂ - длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют с использованием математического аппарата теории чисел число периодов r₁ и r₂ соответственно длины волны λ₁ и λ₂, заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, одновременно, используя дальномерный код высокой точности, измеряют псевдодальности R_к до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности R_к, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности R_f1 и R_f2 на несущих частотах f₁ и f₂ с точностью до фазы несущей. Технический результат заключается в повышении надежности навигационных определений при измерениях по фазе несущих частот (НЧ), выполнение условия согласования НЧ между собой, улучшение массогабаритных характеристик потребителя СРНС.

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем, отличающийся тем, что на двух несущих частотах f₁ и f₂, находящихся в отношении с погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до π, с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ_o= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов длины волны λ₁

и число периодов волны λ₂

заключенных в синтезированной длине волны Λ_o, где λ₁ и λ₂ длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа Х, а L≡Y modZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя дальномерный код высокой точности, измеряют псевдодальности R_к до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₁ и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_к, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности и сами псевдодальности на несущих частотах f₁
и f₂ с точностью до фазы несущей.