СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМЕ GPS Российский патент 2003 года по МПК G01S3/00 G01S11/00 

Изобретение относится к области навигации и может использоваться при разработке и модернизации аппаратуры потребителей спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS, 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 (ФИ) 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 ФИ, 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 стандартной точности в СРНС GPS составляет 293,2 м. Эквивалентная шумовая ширина полосы в современных образцах аппаратуры потребителя типа "Бриз" составляет 1 Гц. При отношении сигнал/шум 40 дБГц ошибка измерения фазы ДК составляет 2,1 м. Таким образом, условие согласования шкал не выполняется и возникает проблема неоднозначности ФИ, заключающаяся в нахождении целого числа длин волн, укладывающихся в измеряемой псевдодальности, и последующего вычисления псевдодальности с точностью до фазы НЧ.

Известен способ разрешения неоднозначности (РН) путем дополнительных измерений на разности НЧ [1, стр.306], в котором диапазон однозначных измерений расширяется за счет использования синтезированной длины волны (СДВ). Введение третьей несущей частоты f₃=1176,45 МГц совместно с существующей частотой f₂=1227,6 МГц позволяет синтезировать волну

где С - скорость света, а f₃ и f₂ - несущие частоты. Этот способ обеспечивает увеличение диапазона и согласование шкал, однако снижает точность и надежность ФИ и может применяться только при достаточно высоком отношении сигнал/шум, когда ошибка измерения фазы ДК меньше половины длины волны Λ/2= 2,93 м. При этом использование частоты f₁=1575,42 МГц в качестве дополнительной не позволяет произвести дальнейшее увеличение диапазона РН с использованием СДВ второго порядка.

Известны также способы РН 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 РН фазовых измерений в СРНС GPS, увеличение диапазона РН, повышение надежности НО при измерениях по фазе НЧ и улучшение массогабаритных характеристик аппаратуры потребителя СРНС.

Предлагаемый способ РН ФИ заключается в том, что на двух основных несущих частотах f₁= 1575,42 МГц и f₂=1227,6 МГц, а также на дополнительной несущей частоте f₃=1176,45 МГц измеряют фазы ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃ в диапазоне от 0 до 2π с погрешностью менее 0,01 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ_o = 168λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃, определяют число периодов волны λ₂

заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₂ - длина волны на несущей частоты f₂, int(X) есть целая часть числа X, а L≡Y mod Z есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя легко обнаруживаемый С/А дальномерный код, измеряют псевдодальность R_К до навигационных спутников и вычисляют оценку целого число длин волн λ₂

укладывающихся в измеренной псевдодальности R_K, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и псевдодальность на несущей частоте f₂

с точностью до фазы несущей.

Использование ФИ на грех несущих частотах позволяет расширить диапазон однозначного измерения фаз в 7 раз на частоте f₂ путем синтеза волны Λ₀ = 168λ₂≈41 м и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел [3]. Так как ошибка измерения псевдодальности с вероятностью 0,998 находится в интервале 3σ=6,3 м, превышающем допустимый диапазон ошибок измерения псевдодальности Λ/2=2,93 м, РН с высокой надежностью при использовании СДВ не возможно. Расширение диапазона допустимых ошибок измерения фазы ДК до Λ₀/2 = 20,5 м позволяет РН с вероятностью, близкой к 1 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 РН и определении псевдодальностей до НИСЗ с точностью до фазы НЧ.

Предложенный способ РН ФИ отличается тем, что на двух основных несущих частотах f₁= 1575,42 МГц и f₂=1227,6 МГц, а также на дополнительной несущей частоте f₃= 1176,45 МГц измеряют фазы ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃ в диапазоне от 0 до 2π с погрешностью менее 0,01 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ_o = 168λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃, определяют число периодов волны λ₂,

заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₂ - длина волны на несущей частоте f₂, int(X) есть целая часть числа X, а L≡Y modZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя легко обнаруживаемый С/А дальномерный код, измеряют псевдодальность R_K до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₂

укладывающихся в измеренной псевдодальности R_K, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и псевдодальность на несущей частоте f₂

с точностью до фазы несущей.

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

Предложенный способ РН может быть реализован в перспективной аппаратуре потребителя СРНС GPS, в которой измеряются фазы несущих частот (например, Бриз СН-3601, СН-3706). В этой аппаратуре измерения фаз НЧ будут выполняются с погрешностью 0,5 мм, что составляет приблизительно 0,003 фазового цикла. Для GPS отношение НЧ

является точным, а отношение НЧ

с использованием алгоритма Евклида для нахождения подходящих дробей аппроксимируется отношением

с погрешностью

Такая аппроксимация позволяет получить диапазон РН, равный наименьшему общему кратному числителей подходящих дробей НОК (24,7)=168, и выполнить условие согласования трех НЧ между собой. Введение второго и третьего гражданских сигналов в системе GPS в 2003 и 2005 годах соответственно позволит расширить диапазон РН и в перспективе вообще отказаться от использования дальномерных кодов, например, при измерениях длин баз и определении ориентации объектов, когда расстояние между двумя разнесенными антеннами составляет менее 41 м.

Источники информации
1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / В.С. 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 с.

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

4. Бахолдин B.C., Пономарев В.А. Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений. - Патент 2157547, МПК 7 G 01 S 3/00, 5/00.

Изобретение относится к области навигации и может использоваться в аппаратуре потребителей спутниковой радионавигационной системы (CPHC) GPS, в которой осуществляется измерение псевдодальностей до навигационных спутников по фазе несущих частот. Техническим результатом является расширение диапазона однозначного измерения фазы, повышение точности и надежности навигационных определений с использованием измерений по фазе несущих частот и снижение сложности программно-аппаратных решений в аппаратуре потребителей СРНС. Это достигается за счет использования фазовых измерений на трех несущих частотах, измерений псевдодальности с использованием дальномерного кода стандартной точности, синтеза дополнительной длины волны и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел.

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений в системе GPS путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковой радионавигационной системы, отличающийся тем, что на двух основных несущих частотах f₁= 1575,42 МГц и f₂=1227,6 МГц, а также на дополнительной несущей частоте f₃= 1176,45 МГц, измеряют фазы ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃ в диапазоне от 0 до 2π, с погрешностью менее 0,01 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀ = 168λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃, определяют число периодов волны λ₂

заключенных в синтезированной длине волны, Λ₀, где λ₂ - длина волны на несущей частоте f₂, int(Х) есть целая часть числа Х, а L≡Y modZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя легко обнаруживаемый (С/А) дальномерный код, измеряют псевдодальность R_K до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₂

укладывающихся в измеренной псевдодальности R_K, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и псевдодальность на несущей частоте f₂

с точностью до фазы несущей.