СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ТРОПОСФЕРНЫХ И ИОНОСФЕРНЫХ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЯ В ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЁМНИКАХ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01S5/00 H04B1/06 

Изобретение относится к области повышения точности спутниковой навигации, в частности к способам устранения тропосферных и ионосферных ошибок измерения дальностей в обычных одночастотных приемниках за счет специальной целенаправленной обработки кодовых и фазовых измерений с использованием только той информации, которая доступна спутниковому приемнику в штатном режиме его работы.

При измерениях дальности до спутников основным фактором атмосферного влияния на точность этих измерений являются задержки распространения сигнала в тропосфере и ионосфере, совместно проявляющиеся в измерениях и вносящие погрешности от десятков до сотен метров.

Известны способы уменьшения этих ошибок [1], [2] под названием “методы моделирования трасс распространения”. Для тропосферных ошибок известно [3], [4], что они достаточно точно определяются тремя параметрами атмосферы в окрестности установки приемной антенны - температурой, давлением и влажностью. Известно также, что в широком диапазоне изменения этих параметров тропосферная задержка меняется относительно мало, поэтому, рассчитав эту задержку для параметров “стандартной атмосферы”, можно на 70-80% снизить тропосферную ошибку измерения дальности. При этом остаточная ошибка не превысит 10-15 метров. Для дальнейшего повышения точности необходимы измерения температуры, давления и влажности в точке установки приемной системы, преобразования этих измерений в цифровую форму и специальный интерфейс для ввода этих данных в навигационный вычислитель, что вызывает усложнение и удорожание оборудования.

Этот же метод применительно к ионосферной ошибке измерений реализован в спутниковой навигационной системе GPS, где в составе навигационного сообщения спутники передают параметры ионосферной модели Клобучара [2].

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ [1], включающий одновременные измерения псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей, выделение навигационной информации, передаваемой спутниками, в том числе параметров модели ионосферных ошибок, вычисления тропосферных ошибок по параметрам стандартной атмосферы в модели сферического слоя с экспоненциальным убыванием плотности на высоте, вычисление поправок к счислимым значениям координат и скоростей объекта способом наименьших квадратов по фиксированному объему выборки упомянутых пар измерений или рекуррентно тем же способом по мере поступления текущих измерений либо в стандартной процедуре линейного фильтра Калмана.

Недостаток прототипа: низкая точность (исключается всего лишь 70-80% тропосферной ошибки и 50% ионосферной).

В основу изобретения положена задача устранения недостатков прототипа, которая решается тем, что в предлагаемом способе текущие значения тропосферных и ионосферных ошибок измерений дальностей и радиальных скоростей представляют в виде произведений соответствующих вертикальных задержек на функции наклонного луча, зависящие от времени через изменения угловых координат спутников, упомянутые вертикальные задержки включают в число оцениваемых по измерениям параметров вместе с такими мешающими параметрами, как систематические ошибки измерений, в матрицу частных производных измерений по оцениваемым величинам в качестве частных производных упомянутых измерений по вертикальным задержкам в тропосфере и ионосфере включают соответствующие функции наклонного луча для дальностей и их производные по времени для радиальных скоростей и вводят в навигационный фильтр диагональную матрицу шумов разнородных и существенно неравноточных измерений псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей в виде дисперсий кодовых и фазовых измерений или их отношения, а в матрицу частных производных измерений по оцениваемым параметрам дополнительно включают частные производные радиальных скоростей по координатам объекта.

Как в тропосфере, так и в ионосфере наклонный луч (по сравнению с вертикальным) проходит больший путь в среде с параметрами, отличными от вакуума. Поэтому величина задержки (тропосферной и ионосферной) может быть представлена в виде произведения вертикальной задержки, которая меняется в зависимости от свойств ионосферы (тропосферы) на некоторую функцию наклонного луча (Ф_нл>1), увеличивающуюся по мере уменьшения угла места (угловой высоты) спутника. Такая факторизация удобна тем, что вертикальная задержка описывает медленно меняющиеся во времени характеристики атмосферы, а Ф_нл, зависящая от текущего углового положения спутника (в т. числе и от азимута, особенно для ионосферы) через эти известные углы (азимут и высота) описывает изменения задержки во времени:

где δD^{(троп,ион)(}t) - текущая тропосферная (ионосферная) ошибка измерений;

- тропосферная (ионосферная) ошибка при вертикальном распространении радиолуча;

- функция наклонного луча в тропосфере (ионосфере).

В спутниковой навигации любой приемник одновременно производит т.н. кодовые и фазовые измерения. Отличия их заключаются в том, что кодовые измерения проводят по задержке фронтов дальномерного кода, которым модулирована несущая сигнала, а фазовые по набегу фазы несущей.

Известно ([3], [4] и другие учебники и монографии по распространению радиоволн), что тропосфера вносит одинаковые задержки как в огибающую сигнала (дальномерный код), так и в фазу несущей. Из тех же учебников известно, что ионосфера вносит задержки одинаковой величины, но разного знака в огибающую и фазу несущей, причем код всегда запаздывает относительно истинной задержки (в вакууме), а фаза несущей опережает ее. Это вызвано тем, что в ионосфере (диспергирующей среде) в отличие от тропосферы групповая скорость меньше скорости в вакууме, а фазовая на ту же величину больше. Поэтому кодовая дальность при измерениях сигнала, прошедшего ионосферу, всегда превышает истинную, а фазовая всегда меньше ее (на ту же величину).

В соответствии с вышеизложенным, выражения для измеренных в спутниковом приемнике кодовой D^code и фазовой D^phase дальностей при прохождении луча через атмосферу можно записать в виде:

где D^code(t) - текущая дальность до спутника, измеренная по задержке дальномерного кода;

D^phase(t) - полная фазовая дальность (текущее целое число фазовых циклов плюс дробная часть фазового цикла);

D^ист(t) - истинная текущая дальность до спутника;

δD^ион(t) - текущая ионосферная ошибка измерений;

δD^троп(t) - текущая тропосферная ошибка измерений.

Ионосферная δD^ион и тропосферная δD^троп погрешности измерений выражаются формулой (1).

Необходимо отметить что, полная фазовая дальность D^phase в обычных одночастотных приемниках недоступна, поскольку требует знания целого числа фазовых циклов (длин волн =19 см), укладывающихся на трассе распространения сигнала длиной до 20000 км). Это число теряется при захвате сигнала на сопровождение несущей и восстановлению впоследствии не подлежит. Даже в двухчастотных приемниках вычисление этого числа фазовых циклов встречает значительные трудности из-за относительно небольшого разноса этих частот.

Однако в обычных одночастотных приемниках доступны измерения радиальных скоростей V_r, которые представляют собой скорость изменения фазовой дальности и естественно не содержат неизвестного (но постоянного) начального числа фазовых циклов:

где V_r(t) - текущая радиальная скорость;

- производная фазовой дальности ( скорость изменения полной фазы);

Vистr

- скорость изменения текущей ионосферной ошибки;

- скорость изменения текущей тропосферной ошибки.

Подставим выражения для тропосферных и ионосферных ошибок из формулы (1) в формулу (4) и, проведя дифференцирование, получим:

где - скорость изменения функции наклонного луча в ионосфере:

- скорость изменения функции наклонного луча в тропосфере.

Таким образом, прототипом предлагаемого способа является метод моделирования трасс распространения радиоволн [1], точнее способ решения навигационной задачи, учитывающий расчетные значения тропосферных и ионосферных ошибок (тропосферных по параметрам “стандартной атмосферы”, ионосферных - по данным модели передаваемой спутниками GPS).

Недостатком прототипа является низкая точность (исключается всего лишь 70-80% тропосферной ошибки и 50% ионосферной). Известны также способы [1], повышающие точность прототипа (измерения параметров атмосферы в месте расположения антенны приемника для практически полного устранения тропосферной ошибки и двухчастотный приемник - для ионосферной). Однако реализация этих способов требует дополнительных аппаратных затрат и удорожает оборудование потребителя.

Данное техническое решение позволяет повысить точность за счет устранения тропосферной и ионосферной ошибок в обычном одночастотном приемнике, использующем только штатную, доступную ему, спутниковую навигационную и измерительную информацию. Повышение точности достигается включением параметров вертикальной тропосферной и ионосферной задержек, как мешающих, в число оцениваемых по результатам совместных радионавигационных измерений (кодовых и фазовых) и исключением тем самым влияния текущих ошибок (тропосферной и ионосферной) на результаты решения навигационной задачи определения координат и составляющих вектора скорости объекта. Хорошее качество оценивания этих мешающих параметров (совместная их наблюдаемость) обеспечивается знаками частных производных радиальной скорости и дальности, разными по ионосферной задержке и одинаковыми по тропосферной.

Дополнительно для улучшения качества оценивания навигационных параметров (при включении мешающих в число оцениваемых) предлагается повысить информационную избыточность оценивания за счет извлечения координатной информации из измерений радиальных скоростей [5] (взвешенная обработка совместных кодовых и фазовых измерений), где недостаточная информативность измерений радиальных скоростей для оценки координат в рассматриваемых среднеорбитных спутниковых навигационных системах многократно компенсируется их высокой точностью по сравнению с кодовыми (на 2-3 порядка), т.е. веса измерений радиальных скоростей при совместной их обработке с кодовыми дальностями в 10⁴-10⁶ больше последних.

С учетом изложенного можно описать принцип обработки спутниковых измерений предлагаемым способом. Обработка измерений производятся как по фиксированному объему выборки способом наименьших квадратов (СНК) со взвешиванием неравноточных измерений (что удобно для неподвижных потребителей), так и по нарастающему объему с помощью рекуррентного СНК или стандартного фильтра Калмана (ФК), что более удобно для подвижных объектов. Для рекуррентной обработки как СНК, так и в ФК формируют матрицу частных производных в виде:

где а, b, с - частные производные кодовых дальностей по координатам объекта х, у, z соответственно;

α, β, γ - частные производные радиальных скоростей по тем же координатам;

d=1 - частная производная измерения по его систематической ошибке;

остальные элементы - параметры тропосферы и ионосферы Ф_нл описаны выше.

Заметим, что аналитические выражения частных производных радиальной скорости по координатам объекта не всегда удобны для вычислений, поэтому рационально формировать их численно, как и производные , задавая конечные приращения аргументам.

При обработке СНК по фиксированному объему выборки n матрицу Н, размерностью 2n×10 формируют из указанных в формуле (6) пар строк, снабженных индексами i (i=i...n), соответствующими номерам пар измерений в выборке.

Матрицу R шумов измерений для рекуррентной обработки каждой вновь поступающей пары измерений применительно к матрице Н по формуле (6) записывают в виде:

где χ=10⁴:10⁶ - отношение дисперсий шумовых ошибок измерений псевдорадиальной скорости к ошибке псевдодальности.

Для обработки фиксированного объема n пар совместных измерений псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей, где для каждой i пары матрица Н сформирована по формуле (6), матрицу R формируют как диагональную размерностью 2n×2n с чередующимися элементами главной диагонали, равными I и χ.

Поправки к счислимым значениям оцениваемых координат и скоростей, а также к счислимым значениям мешающих параметров - систематическим ошибкам измерений вертикальным задержкам в тропосфере и ионосфере, вычисляют способом наименьших квадратов со взвешиванием неравноточных измерений с помощью матрицы R по формуле:

где L - матрица размерности n×2 разностей измеренных и счислимых значений пар измерений (псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей).

Источники информации

1. ГЛОНАСС. Глобальная спутниковая радионавигационная система. Под. ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. М.: ИПРЖР, 1999.

2. Интерфейсный контрольный документ по системе GPS.

3. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972.

4. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн М.: Высшая школа, 1975.

5. Волосов П.С., Дубинко Ю.С., Мордвинов Б.Г., Шинков В.Д. Судовые комплексы спутниковой навигации. Л.: Судостроение, 1983.

Изобретение относится к области повышения точности спутниковой навигации, в частности к способам устранения тропосферных и ионосферных ошибок измерения дальностей в обычных одночастотных приемниках за счет специальной целенаправленной обработки кодовых и фазовых измерений с использованием только той информации, которая доступна спутниковому приемнику в штатном режиме его работы. Данное техническое решение позволяет повысить точность за счет устранения тропосферной и ионосферной ошибок в обычном одночастотном приемнике, использующем только штатную доступную ему спутниковую навигационную и измерительною информацию, что и является достигаемым техническим результатом. Повышение точности достигается включением параметров вертикальной тропосферной и ионосферной задержек, как мешающих, в число оцениваемых по результатам совместных радионавигационных измерений (кодовых и фазовых) и исключением тем самым влияния текущих ошибок (тропосферной и ионосферной) на результаты решения навигационной задачи определения координат и составляющих вектора скорости объекта. Хорошее качество оценивания этих мешающих параметров (совместная их наблюдаемость) обеспечивается знаками частных производных радиальной скорости и дальности, разными по ионосферной задержке и одинаковыми по тропосферной. Обработку измерений проводят как по фиксированному объему выборки способом наименьших квадратов (СНК) со взвешиванием неравноточных измерений (что удобно для неподвижных потребителей), так и по нарастающему объему с помощью рекуррентного СНК или стандартного фильтра Калмана (ФК), что более удобно для подвижных объектов. Для рекуррентной обработки как СНК, так и в ФК формируют матрицу частных производных. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ устранения влияния тропосферных и ионосферных ошибок измерения в одночастотном приемнике спутниковой навигации, включающий одновременные измерения псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей, выделение навигационной информации, передаваемой спутниками, в том числе параметров модели ионосферных ошибок, вычисления тропосферных ошибок по параметрам стандартной атмосферы в модели сферического слоя с экспоненциальным убыванием плотности на высоте, вычисление поправок к счислимым значениям координат и скоростей объекта способом наименьших квадратов по фиксированному объему выборки упомянутых пар измерений или рекуррентно тем же способом по мере поступления текущих измерений либо в стандартной процедуре тем же способом по мере поступления текущих измерений, либо в стандартной процедуре линейного фильтра Калмана, отличающийся тем, что текущие значения тропосферных и ионосферных ошибок измерений дальностей и радиальных скоростей представляют в виде произведений соответствующих вертикальных задержек на функции наклонного луча, зависящие от времени через изменения угловых координат спутников, упомянутые вертикальные задержки включают в число оцениваемых по измерениям параметров вместе с такими мешающими параметрами, как систематические ошибки измерений, в матрицу частных производных измерений по оцениваемым величинам в качестве частных производных упомянутых измерений по вертикальным задержкам в тропосфере и ионосфере включают соответствующие функции наклонного луча для дальностей и их производные по времени для радиальных скоростей и вводят в навигационный фильтр диагональную матрицу шумов разнородных и существенно неровноточных измерений псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей в виде дисперсий кодовых и фазовых измерений или их отношения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в матрицу частных производных измерений по оцениваемым параметрам дополнительно включают частные производные радиальных скоростей по координатам объекта.