УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОНАВИГАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ФАКТОРА Российский патент 2003 года по МПК G01S5/02 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для решения задачи радионавигационного определения скорости движущегося объекта (автомобиля, морского судна, самолета, космического аппарата) как потребителя радионавигационной информации космической навигационной системы (КНС) в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора.

Известно устройство для радионавигационного определения скорости движущегося объекта [3], содержащее блоки бортовой аппаратуры, размещенные на четырех и более видимых объектом определенным образом размещенных относительно него навигационных космических аппаратах (НКА), а также блок навигационной аппаратуры потребителя (НАП), размещенный на объекте и преобразующий принимаемые радионавигационные сигналы, излученные блоками бортовой аппаратуры НКА, в оценки составляющих скорости движущегося объекта. Недостатком известного устройства является высокий уровень систематических погрешностей оценок составляющих скорости объекта, обусловленный неточным знанием параметров атмосферы, рассинхронизацией шкал времени НКА и погрешностями знания составляющих скорости НКА.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для радионавигационного определения скорости движущегося объекта, работающее в дифференциальном режиме и содержащее не менее четырех блоков бортовой аппаратуры НКА, два блока НАП движущегося объекта и контрольно-корректирующей станции (ККС), блок вычисления поправок, блок коррекции оценок составляющих скорости объекта, модулятор, демодулятор, передатчик, приемник и две антенны движущегося объекта и ККС. Выходы блоков бортовой аппаратуры НКА подключены соответственно к входам блоков НАП объекта и ККС. Первый, второй и третий выходы блока вычисления поправок подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам модулятора, соединенного через передатчик, первую и вторую антенны, приемник с демодулятором, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока коррекции оценок составляющих скорости объекта [2].

Недостатком известного устройства является высокий уровень случайных погрешностей оценок составляющих скорости объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора радионавигационного определения скорости, например, когда при наличии четырех видимых потребителем НКА их геометрия разрешения относительно потребителя существенно отличается от оптимальной геометрии: один из НКА размещен в зените потребителя, а три остальных - ближе к плоскости его местного горизонта.

Целью изобретения является повышение точности радионавигационного определения в дифференциальном режиме скорости движущегося объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора. Указанная цель достигается тем, что в устройство для радионавигационного определения скорости объекта, содержащее блоки бортовой аппаратуры, размещенные на четырех и более НКА, первый и второй блок НАП, блок вычисления поправок, блок коррекции составляющих скорости объекта, модулятор, демодулятор, передатчик, первую и вторую антенны, причем выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков бортовой аппаратуры НКА подключены соответственно к первым, вторым, третьим и четвертым входам первого и второго блоков НАП, первый, второй и третий выходы блока вычисления поправок подключены соответственно к первому, второму и третьему входу модулятора, соединенного через передатчик, первую и вторую антенну, приемник с демодулятором, первый, второй и третий выход которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока коррекции оценок составляющих скорости объекта, введены первый и второй блоки учета корреляции оценок НАП, содержащие каждый накапливающий сумматор со сбросом, первый, второй, третий и четвертый блоки вычислений, счетчик тактовых импульсов, первый, второй, третий и четвертый элементы "И", блок вычисления весовых коэффициентов, первый, второй и третий блоки перемножения, причем первый выход первого блока НАП подключен к входу накапливающего сумматора со сбросом и первому входу первого элемента "И", второй выход первого блока НАП через счетчик тактовых импульсов подключен ко вторым входам первого, второго, третьего и четвертого элементов "И", третий, четвертый и пятый выходы первого блока НАП подключены соответственно к первым входам второго, третьего и четвертого элементов "И", выходы которых соединены соответственно с первыми входами второго, третьего и четвертого блоков вычитания, выходы которых подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока коррекции оценок составляющих скорости объекта, первый, второй и третий выходы которого являются выходами устройства, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы первого блока НАП подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и седьмому входам блока вычисления весовых коэффициентов, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего блоков перемножения, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго, третьего и четвертого блоков вычитания, выход накапливающего сумматора со сбросом подключен к входу первого блока вычитания, второй выход которого соединен с выходом первого элемента "И", а выход подключен ко вторым входам первого, второго и третьего блоков перемножения, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы второго блока НАП соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым входами второго блока учета корреляции оценок НАП, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока вычисления поправок, первый, второй и третий входы которого являются входами устройства.

Такая совокупность признаков предлагаемого устройства по сравнению с прототипом показывает, что оно отличается наличием новых элементов: два блока учета корреляции оценок НАП, содержащих каждый накапливающий сумматор со сбросом, четыре блока вычитания, счетчик тактовых импульсов, четыре элемента "И", блок вычисления весовых коэффициентов, блоки перемножения и их связь между собой и с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы широко известны. Однако при их введении в указанной связи между собой и с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для радионавигационного определения скорости движущегося объекта указанные элементы проявляют новые свойства, состоящие в учете корреляции случайных составляющих оценок скорости объекта и скорости изменения временной поправки к его бортовой шкале времени, возникающей при действии неблагоприятного геометрического фактора, а также в фильтрации случайных составляющих оценок скорости изменения временной поправки к бортовой шкале времени движущегося объекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решению критерию "изобретательский уровень".

Фильтрация случайных составляющих оценок скорости изменения временной поправки к бортовой шкале времени объекта, а также учет корреляции этих оценок со случайными составляющими оценок скорости объекта позволяют существенно повысить точность радионавигационного определения скорости движущегося объекта в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом.

Действительно, оценим выигрыш в точности заявляемого устройства по сравнению с прототипом как отношение предельных погрешностей оценок (достоверность 0,997), например, для составляющей скорости V_x вдоль оси ОХ некоторой выбранной системы координат

где δ_ovp - "остаточная" (при использовании дифференциального режима) систематическая погрешность измерения радиальных скоростей потребителя относительно НКА (или ККС относительно НКА);
σ_vp - среднеквадратическое отклонение (СКО) случайной составляющей погрешности измерения радиальной скорости;
r_vxd - коэффициент корреляции случайных составляющих оценок скорости объекта вдоль оси ОХ и скорости изменения временной поправки к бортовой шкале времени объекта;
N - количество усредняемых оценок скорости изменения временной поправки.

Коэффициент корреляции r_vxd нарастает при увеличении геометрического фактора, например, при увеличении геометрического фактора от 5 до 40 и более, коэффициент корреляции нарастает от 0,95 до 0,99 и более [1]. При таких значениях коэффициента r_vxd выигрыш в точности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, согласно выражению (1), составит величину от 3 до 5 и более раз при следующих реальных для практики радионавигационных определений с использованием КНС ГЛОНАСС и GPS данных: δ_ovp = 10^-3 м/с, σ_vp = 10^-2 м/с, N= 64. Это, а также реализуемость блоков предлагаемого устройства на стандартных, выпускаемых промышленностью элементах, позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "промышленная применимость".

На чертеже представлена структурная схема устройства для радионавигационного определения скорости движущегося объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора.

Устройство содержит блоки 1, 2, 3 и 4 бортовой аппаратуры НКА, первый блок 5 НАП движущегося объекта, первый блок 6 учета корреляции оценок НАП, второй блок 7 НАП, второй блок 8 учета корреляции оценок НАП, блок 9 вычисления поправок, блок 10 коррекции оценок, модулятор 11, демодулятор 12, передатчик 13, приемник 14, первую 15 и вторую 16 антенны; накапливающий сумматор 17 со сбросом, первый блок 18 вычитания, счетчик тактовых импульсов 19, первый элемент "И" 20, блок вычисления весовых коэффициентов 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 элементы "И", второй 25, третий 26 и четвертый 27 блоки вычитания, первый 28, второй 29 и третий 30 блоки перемножения.

Выходы блоков 1, 2, 3 и 4 бортовой аппаратуры НКА подключены соответственно к входам первого 5 и второго 7 блоков НАП, первый, второй и третий выходы блока 9 вычислений поправок, первый, второй и третий входы которого являются выходами устройства, подключены соответственно к первому, второму и третьему входам модулятора 11, соединенного через передатчик 13, первую 15 и вторую 16 антенны, приемник 14 с демодулятором 12, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока 10 коррекции оценок составляющих скорости объекта, первый выход первого блока 5 НАП подключен к входу накапливающего сумматора 17 со сбросом и первому входу первого элемента "И" 20, второй выход первого блока 5 НАП через счетчик тактовых импульсов 19 подключен ко вторым входам первого 20, второго 22, третьего 23 и четвертого 24 элементов "И", третий, четвертый и пятый выходы первого блока 5 НАП подключены соответственно к первым входам второго 22, третьего 23 и четвертого 24 элементов "И", выходы которых соединены соответственно с первыми входами второго 25, третьего 26 и четвертого 27 блоков вычитания, выходы которых подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока 10 коррекции оценок составляющих скорости объекта, первый, второй и третий выходы которого являются выходами устройства, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы первого блока 5 НАП подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и седьмому входам блока вычисления весовых коэффициентов 21, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого 28, второго 29 и третьего 30 блоков перемножения, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго 25, третьего 26 и четвертого 27 блоков вычитания, выход накапливающего сумматора со сбросом 17 подключен к входу первого блока вычитания 18, второй выход которого соединен с выходом первого элемента "И" 20, а выход подключен ко вторым входам первого 28, второго 29 и третьего 30 блоков перемножения, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы второго блока 7 НАП соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым входами второго блока 8 учета корреляции оценок НАП, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока вычисления поправок 9.

Устройство для радионавигационного определения скорости движущегося объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора работает следующим образом.

Радионавигационные сигналы, формируемые блоками 1, 2, 3 и 4 бортовой аппаратуры НКА принимаются и обрабатываются блоками 5 и 7 НАП объекта и ККС. Результатами обработки являются по первым выходам блоков 5 и 7 НАП - цифровые коды оценок скоростей изменения временных поправок к бортовым шкалам времени НАП, по третьим, четвертым и пятым выходам - цифровые коды оценок трех составляющих скорости объекта и ККС. По вторым выходам блоков 5 и 7 поступают тактовые импульсы, по шестым, седьмым, восьмым и девятым выходам блоков 5 и 7 - цифровые коды значений среднеквадратических отклонений погрешностей оценок трех составляющих скорости объекта и ККС, а также скорости изменения временной поправки к бортовым шкалам времени объекта и ККС. По десятым, одиннадцатым и двенадцатым выходам блоков 5 и 7 поступают цифровые коды значений коэффициентов корреляции оценок трех составляющих скорости объекта и ККС.

В блоках 6 и 8 учета корреляции оценок НАП формируются цифровые коды оценок трех составляющих скорости объекта и ККС, учитывающие корреляцию оценок составляющих скорости объекта и ККС с оценками скорости изменения временных поправок к их бортовым шкалам времени.

В блоке 9 вычисления поправок формируются цифровые коды поправок к оценкам трех составляющих скорости ККС с учетом истинных значений составляющих скорости ККС, поступающих на входы устройства. Далее цифровые коды поправок поступают на модулятор 11, с помощью которого, а также с помощью передатчика 13 и первой антенны 15 формируется радиосигнал для передачи информации о поправках. Этот радиосигнал принимается второй антенной 16, приемником 14, демодулируется демодулятором 12 с выделением цифровых кодов поправок, которые поступают в блок 10 коррекции оценок составляющих скорости объекта, по четвертому, пятому и шестому входам которого поступают цифровые коды оценок трех составляющих скорости объекта, полученные с учетом корреляции оценок скорости объекта и скорости изменения временной поправки к его бортовой шкале времени.

Результаты работы устройства в виде цифровых кодов уточненных и скорректированных оценок трех составляющих скорости объекта поступают на выход блока 10 коррекции оценок составляющих скорости объекта.

Работа блоков 6 и 8 учета корреляции оценок НАП в составе заявляемого устройства, например блока 6, состоит в следующем. Накапливающий сумматор со сбросом 17, первый элемент "И" 20 и первый блок вычитания 18 формируют разницу между (N+1)-й оценкой скорости изменения временной поправки и средним арифметическим N предшествующих оценок скорости изменения временной поправки к бортовой шкале времени (БШВ) объекта.

Блок вычисления весовых коэффициентов 21 формирует цифровые коды весовых коэффициентов в виде отношения произведения коэффициента корреляции оценок данной составляющей скорости объекта и скорости изменения временной поправки к его БШВ, СКО погрешности оценки данной составляющей и числа N усредняемых оценок скорости изменения временной поправки к произведению СКО погрешности оценки скорости изменения временной поправки к БШВ объекта и числа N+1.

"Взвешивание" полученной на выходе первого блока 18 вычитания разницы между N+1-й оценкой скорости изменения временной поправки у БШВ объекта и результатом усреднения N предшествующих оценок скорости изменения временной поправки к БШВ объекта происходит в первом 28, втором 29 и третьем 30 блоках перемножения.

"Взвешенные" разницы вычитаются на N+1 такте работы устройства, определяемом совместной работой счетчика тактовых импульсов 19, а также второго 22, третьего 23 и четвертого 24 элементов "И", во втором 25, третьем 26 и четвертом 27 блоках вычитания. Уточнены, таким образом, оценки трех составляющих скорости поступают в виде цифровых кодов на четвертый, пятый и шестой входы блока коррекции оценок составляющих скорости объекта.

Литература
1. Алексеев О.А., Бетанов В.В., Сильвестров С.Д. Устойчивое к изменению геометрического фактора определение координат по сигналам навигационных КА. // Космические исследования, т.32. 1. - М.: РАН, 1994, с.151-153.

2. Глобальная сетевая спутниковая система ГЛОНАСС/ Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. - 2-е изд., исправ. - М.: ИПРЖР, 1999, 560 с., ил.

3 Сетевые спутниковые радионавигационные системы./ Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др.; под ред. Шебшаевича B.C. 2-e изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993, 408 с.

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для радионавигационного определения скорости движущегося объекта как потребителя радионавигационной информации космической навигационной системы (КНС). Достигаемый технический результат: повышение точности радионавигационного определения в дифференциальном режиме скорости движущегося объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора путем использования корреляционной связи случайных погрешностей оценок составляющих скорости объекта, формируемых в его навигационной аппаратуре потребителя (НАП), поправок к составляющим скорости, формируемым контрольно-корректирующей станцией (ККС) и случайных погрешностей оценок скоростей изменения временных поправок к шкалам времени НАП и ККС. Устройство содержит первый, второй, третий и четвертый блоки бортовой аппаратуры навигационных космических аппаратов (НКА), первый блок НАП движущегося объекта, первый блок учета корреляции оценок НАП объекта, второй блок НАП ККС, второй блок учета корреляции оценок НАП ККС, блок вычисления поправок, блок коррекции составляющих скорости объекта, модулятор, демодулятор, передатчик, приемник, первую и вторую антенны. 1 ил.

Устройство для радионавигационного определения скорости движущегося объекта в условиях действия неблагоприятного геометрического фактора, состоящее из первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 блоков бортовой аппаратуры навигационных космических аппаратов (НКА), первого 5 и второго 7 блока навигационной аппаратуры потребителя (НАП), блока вычисления поправок 9, блока коррекции оценок составляющих скорости объекта 10, модулятора 11, демодулятора 12, передатчика 13, приемника 14, первой 15 и второй 16 антенн, причем выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков бортовой аппаратуры НКА подключены соответственно к первым, вторым, третьим и четвертым входам первого и второго блоков НАП, первый, второй и третий выходы блока вычисления поправок подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам модулятора, соединенного через передатчик, первую и вторую антенны, приемник с демодулятором, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока коррекции оценок составляющих скорости объекта, отличающееся тем, что дополнительно введены первый 6 и второй 8 блоки учета корреляции оценок НАП, содержащие каждый накапливающий сумматор со сбросом 17, первый 18, второй 25, третий 26 и четвертый 27 блоки вычитаний, счетчик тактовых импульсов 19, первый 20, второй 22, третий 23 и четвертый 24 элементы И, блок вычисления весовых коэффициентов 21, первый 28, второй 29 и третий 30 блоки перемножения, причем первый выход первого блока НАП подключен ко входу накапливающего сумматора со сбросом и первому входу первого элемента И, второй выход первого блока НАП через счетчик тактовых импульсов подключен ко вторым входам первого, второго, третьего и четвертого элементов И, третий, четвертый и пятый выходы первого блока НАП подключены соответственно к первым входам второго, третьего и четвертого элементов И, выходы которых соединены соответственно с первыми входами второго, третьего и четвертого блоков вычитания, выходы которых подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока коррекции оценок составляющих скорости объекта, первый, второй и третий выходы которого являются выходами устройства, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы первого блока НАП подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и седьмому входам блока вычисления весовых коэффициентов, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего блоков перемножения, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами второго, третьего и четвертого блоков вычитания, выход накапливающего сумматора со сбросом подключен ко входу первого блока вычитания, который соединен с выходом первого элемента И, а выход первого блока вычитания подключен ко вторым входам первого, второго и третьего блоков перемножения, при этом накапливающий сумматор со сбросом, первый элемент И и первый блок вычитания формируют разницу между (N+1)-й оценкой скорости изменения временной поправки и средним арифметическим N предшествующих оценок скорости изменения временной поправки к бортовой шкале времени, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы второго блока НАП соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым входами второго блока учета корреляции оценок НАП, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока вычисления поправок, первый, второй и третий входы которого являются входами устройства.