СЕТЬ И СПОСОБ РАСЧЕТА ИОНОСФЕРНЫХ КОРРЕКЦИЙ Российский патент 2013 года по МПК G01S19/07 

Предлагаемое изобретение относится к области спутниковых навигационных систем и, говоря более конкретно, к сети и к способу расчета ионосферных коррекций.

Здесь под выражением "спутниковая навигационная система" следует понимать любую систему, предназначенную для обеспечения навигации в широкой зоне, такую, например, как существующие системы GNSS ("Global Navigation Satellite System"), называемые системами GPS, GLONASS, или будущая спутниковая навигационная система GALILEO, а также все их эквиваленты и производные. Специалисты в данной области техники хорошо знают принцип определения местоположения спутниковых навигационных систем. Радиочастотный сигнал, излучаемый спутником, подвергается кодированию и используется время, затрачиваемое этим сигналом на достижение подлежащего определению местоположения приемника, для определения расстояния между этим спутником и этим приемником, предпочтительным образом называемого псевдо-расстоянием. На точность спутниковых навигационных систем оказывает влияние определенное количество погрешностей. Эти погрешности могут быть отнесены к двум категориям: глобальные вклады и локальные вклады. С точки зрения глобальных вкладов можно упомянуть погрешности, связанные с прохождением электромагнитных волн через ионосферу, и погрешности, связанные со спутниками (погрешности параметров орбиты и погрешности устройств определения времени). Для локальных вкладов можно упомянуть погрешности, связанные с прохождением электромагнитных волн через тропосферу, погрешности отражения сигналов, погрешности, связанные с интерференцией, погрешности, возникающие вследствие наличия белых зон и шумов приемников. Для того чтобы усовершенствовать существующие спутниковые навигационные системы с точки зрения их точности, целостности, непрерывности действия и готовности к работе, были предусмотрены системы, известные в космической области под названием "системы повышения". Европейская спутниковая система повышения EGNOS улучшает характеристики двух спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS. Она передает сигналы коррекции псевдо-расстояний для того, чтобы скорректировать упомянутые выше погрешности.

Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение предназначено для коррекции ионосферных погрешностей. Здесь следует напомнить, что плотность воздуха, который образует атмосферу, уменьшается по мере удаления от поверхности земли. На высоте, соответствующей ионосферной области, космическое и солнечное излучение больше не подвергается фильтрации. При этом излучения (то есть ультрафиолетовое излучение и рентгеновское излучение) здесь являются более агрессивными и отрывают электроны от атомов, образующих молекулы воздуха, то есть осуществляют то, что называется ионизацией. При этом изменяется показатель преломления и следствием этого оказывается изменение скорости распространения сигналов, проходящих сквозь ионосферный слой. Поскольку известно, что задержка рассчитывается в предположении, что скорость распространения навигационных сигналов соответствует скорости света, прохождение этих сигналов через ионосферный слой влечет за собой измерение псевдо-расстояния, ошибочного вследствие того, что имеет место запаздывание в измерении навигационных кодов или ускорение в измерениях фазы. Для того чтобы обеспечить наилучшую точность в расчетах местоположений, необходимо оценить ионосферную погрешность, которая, кроме того, может изменяться на протяжении суток.

На фиг.1 представлена структура спутниковой навигационной системы, известная специалисту в данной области техники и содержащая систему GNSS позиционирования и систему SBAS ("Satellite Based Augmentation System") повышения. Летательные аппараты 4 несут размещенные на их бортах приемники, связанные с системами повышения. Система EGNOS представляет собой систему типа SBAS, содержащую в наземном сегменте 300 инфраструктуру, образованную множеством наземных станций "SBAS G", и содержащую в космическом сегменте 100 множество геостационарных спутников "SBAS S". Этот наземный сегмент содержит множество наземных станций, распределенных в широкой географической зоне, которые принимают информацию со спутников GNSS и определяют псевдо-расстояния, и центральную станцию 1 контроля и обработки, которая, на основе псевдо-расстояний, передаваемых приемными станциями "SBAS G", определяет коррекции, которые группируются в сигнале 10. Геостационарные спутники "SBAS S" транслируют этот сигнал 10 из центральной станции 1 к приемникам летательных аппаратов 4.

Вычислительная станция 1 компилирует данные ионосферных коррекций для расчета сетки ионосферных коррекций 91 - 94, как это проиллюстрировано на фиг.2. В том случае, когда навигационные сигналы проходят сквозь ионосферный слой, наземные станции "SBAS G" определяют точки пробивания, соответствующие линии прямой видимости между спутником и наземными станциями. Таким образом, совокупность территорий, покрытых наземными станциями, дискретизирована точками пробивания, которым соответствуют измерения ионосферных задержек. В том случае, когда точка располагается поблизости от точек сетки ионосферных коррекций, величина ионосферной задержки 95 определяется путем экстраполяции величин 91-94 соседних точек пробивания. Покрытие и тонкость сетки 96 ионосферных коррекций представляют собой функцию, пропорциональную покрытию и тонкости сети наземных станций и спутников.

Эти классические спутниковые системы (GNSS и SBAS) представляют множество проблем. Первая проблема представляет собой покрытие зоны. Действительно, покрытие сеткой ионосферных коррекций зависит от распределения наземных станций, которые могут быть развернуты только в легко доступных зонах земной поверхности. За пределами границ этих зон, например, над зонами открытого моря или над горными массивами, навигационная система представляет ухудшение своих характеристик. Вторая проблема состоит в количестве дискретных точек для расчета сетки коррекций. При этом, чем больше имеется данных измерения задержек, тем более точными оказываются коррекции. Однако, это количество измерений непосредственно связано с количеством спутников и с количеством наземных станций, которые имеют высокую стоимость (также, например, по соображениям их технического обслуживания и коммуникационных потоков данных в реальном времени). Третья проблема состоит в качестве измерений. Измерения, реализованные при помощи наземных станций, могут быть затронуты вкладами локальных погрешностей, таких, например, как проблемы отражения, интерференции и тропосферы.

На существующем уровне техники известен патент US 6,674,398 B2, в котором описано изобретение, использующее подвижные приемники для измерения ионосферных задержек. Затем результаты этих измерений направляются непосредственно в космический сегмент, который переправляет эти данные в вычислительную систему, располагающуюся на уровне наземного сегмента, для компиляции и расчета сетки ионосферных коррекций. Однако, это изобретение требует создания и нахождения в распоряжении специализированной линии связи пользователя с космическим сегментом и оставляет возможность применения пользователями, не имеющими отношения к авиации и, таким образом, не достойными доверия для авиационной службы.

Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение относится к сети, позволяющей рассчитывать и выдавать ионосферные коррекции пользователям спутниковой навигационной системы, основная характеристика которой состоит в том, чтобы содержать авиационный сегмент, содержащий сегмент авиационного пользователя, образованный множеством летательных аппаратов, каждый из которых несет на своем борту радиочастотный приемник, имеющий возможность измерить задержки навигационных сигналов, излучаемых спутниками, и средство авиационной связи передачи данных между множеством летательных аппаратов и наземным сегментом для передачи упомянутых измерений задержек на наземный сегмент, причем этот наземный сегмент содержит средства приема измерений задержек, используемых для расчета сетки ионосферных коррекций, и эти измерения задержек поступают от множества летательных аппаратов и от множества наземных станций.

Предлагаемое изобретение является предпочтительным в том смысле, что в нем реализуется сеть ионосферных коррекций системы спутниковой навигации путем использования структуры системы спутниковой связи и уже существующих компонентов измерения и связи в авиационной области. Предлагаемое изобретение использует надежность и требования качества обслуживания авиационных сетей. Действительно, спутники передачи не представляют тот же уровень целостности, что и передачи, разработанные в авиационной области. Приемники авиационных пользователей сами также достойны доверия. Предлагаемое изобретение позволяет иметь в распоряжении коммуникационную структуру ионосферных коррекций, представляющую повышенную надежность по сравнению с существующими техническими решениями, которые замыкаются в спутниковой коммуникационной структуре. Более того, нет необходимости располагать специальными линиями связи в направлении спутника, так как используются линии связи самолета в направлении наземного сегмента, которые уже разработаны с учетом количества самолетов.

Измерения реализуются также на уровне авиационного сегмента, то есть не затрагиваются вкладами локальных погрешностей. Таким образом, коррекции, рассчитанные вычислительной системой, оказываются более точными.

Предлагаемое изобретение предназначается, как это проиллюстрировано на фиг.2, для выдачи более точных данных ионосферных коррекций 91-95, и географическое покрытие 96 для которых является более обширным и обладает более тонкой дискретизацией. Количество измерений ионосферных задержек является пропорциональным плотности количества летательных аппаратов 2, находящихся в полете, вследствие чего располагают более плотной и, таким образом, более точной сеткой 96 ионосферных коррекций. Предлагаемое изобретение позволяет выявлять малые ионосферные возмущения, поскольку дискретизация сетки 96 ионосферных коррекций является более тонкой.

Вычислительная сеть ионосферных коррекций в соответствии с предлагаемым изобретением располагает потенциалом измерений, определенно более высоким, чем имеющиеся потребности, и, таким образом, имеется возможность уменьшить количество наземных станций "SBAS G" и сократить, тем самым, стоимость спутниковой системы повышения типа SBAS. Кроме того, вычислительная сеть ионосферных коррекций реализует измерения на основе данных от летательных аппаратов и, таким образом, не ограничивается больше по перекрытию морскими зонами или зонами горных массивов. При этом в ней больше нет ухудшения характеристик на краях этих зон.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания, данного здесь в качестве не являющегося ограничительным примером, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:

Фиг.1 представляет структуру спутниковой системы в соответствии с существующим уровнем техники.

Фиг.2 представляет зону сетки ионосферных коррекций, рассчитанную при помощи вычислительной системы наземного сегмента. На этой фиг.2 проиллюстрирован способ расчета путем экстраполяции ионосферных коррекций для любой точки пространства.

Фиг.3 представляет сеть в соответствии с предлагаемым изобретением, позволяющую рассчитывать и выдавать пользователям ионосферные коррекции, структура которой содержит космический сегмент и авиационный сегмент.

Предлагаемое изобретение, описанное ниже, относится, как это проиллюстрировано на фиг.3, к сети расчета и передачи ионосферных коррекций для спутниковой навигационной системы. Должно быть понятно, что это изобретение применяется к любой спутниковой навигационной системе GNSS, например, к системе "GPS" или к будущей навигационной системе "Galileo", используя систему повышения SBAS, позволяющую выдавать данные коррекции, как, например, система "EGNOS" или система "WAAS". Существенный признак предлагаемого изобретения состоит в использовании в структуре вычислительной сети ионосферных данных авиационного сегмента 200, содержащего сегмент пользователя, образованный летательными аппаратами 2, измеряющими ионосферные задержки и передающими измерения в наземный сегмент 300 при помощи средств 5 передачи, разработанными с учетом авиационных требований. Эти средства 21 измерения и средства 5 передачи данных обеспечивают повышенную надежность и качество обслуживания по сравнению с классической только спутниковой сетью и позволяют обеспечить более высокое количество измерений ионосферных задержек 91-94, чем в классической сети.

Космический сегмент 100 образован множеством спутников GNSS, излучающих навигационные сигналы 7 и 8 на различных частотах. Так, например, система GNSS "Galileo" будет иметь возможность излучать на частотах L1 (от 1563 до 1587 МГц), Е5а (от 1164 до 1189 МГц) и E5b (от 1189 до 1214 МГц) для авиационных пользователей. Космический сегмент 100 образован также спутником "SBAS S", излучающим сигналы 6, передающие данные коррекции определения местоположения к авиационным пользователям, например, на летательные аппараты 4 и 2, или к пользователям, не являющимся авиационными, например, на автомобильные или морские транспортные средства. Средства 21 измерения, располагающиеся на борту летательных аппаратов, представляют собой радиочастотные приемники, имеющие возможность принимать навигационные сигналы 7 и 8 на различных частотах, как об этом уже было сказано в предшествующем изложении. Эти радиочастотные приемники 21 имеют возможность измерять, при помощи расчетного способа, известного специалистам в данной области техники, задержки навигационных сигналов, проходящих через ионосферный слой на больших высотах, исключая, таким образом, вклады локальных погрешностей, как об этом было сказано в предшествующем изложении, и, следовательно, выдавая более точные измерения. Средства передачи 5 используют известные специалистам в области авиационной техники средства высокочастотной связи между летательными аппаратами 2 и наземным сегментом 300.

Наземный сегмент содержит не представленные на фиг.3 средства централизации и выбора источников измерения ионосферных задержек, используемые для расчета сетки ионосферных коррекций, причем измерения задержек поступают от множества летательных аппаратов 2 и от множества наземных станций "SBAS G". Измерения, поступающие от летательных аппаратов 2, потенциально могут быть многочисленными, и вычислительная станция 1 располагает функцией выбора источников, наиболее подходящих для расчета сетки ионосферных коррекций. Вычислительная система 1 компилирует измерения задержек 91-94, поступающих, в своем большинстве, от множества летательных аппаратов 2. Наземный сегмент также содержит средства 3 передачи данных 10 от сетки 96 ионосферных коррекций к космическому сегменту 100.

Предпочтительным образом предлагаемый способ, позволяющий рассчитывать и выдавать данные ионосферных коррекций 91-95 пользователям спутниковой навигационной системы, реализует следующие этапы:

измерение задержек 91-94 на уровне сегмента авиационного пользователя и на уровне наземного сегмента SBAS G,

передача задержек, измеренных при помощи множества летательных аппаратов, причем передача данных реализуется при помощи авиационной сети 5 связи к наземному сегменту 300,

расчет сетки 96 ионосферных коррекций путем компиляции данных, поступающих, в своем большинстве, из измерений, реализованных на уровне сегмента 200 авиационного пользователя,

передача к космическому сегменту 100 данных 91-95 от сетки 96 ионосферных коррекций.

Предпочтительным образом измерения задержек на уровне сегмента авиационного пользователя реализуются, в реальном времени и непрерывно, на протяжении всей фазы полета летательных аппаратов 2. Предлагаемое изобретение позволяет дискретизировать ионосферный слой в реальном времени в различных географических зонах и в различные моменты суток. Для выдачи пользователям надлежащих ионосферных коррекций совокупность этапов упомянутого способа реализуется в реальном времени и непрерывно.

Предпочтительным образом вычислительная система 1 наземного сегмента 300 содержит средства выбора источников измерений задержек для того, чтобы эта система использовала наиболее подходящие источники для расчета сетки 96 ионосферных коррекций. Действительно, флот находящихся в полете летательных аппаратов 2 может выдавать количество измерений, превышающее потребности.

Предпочтительным образом в том случае, когда количество измерений задержек, поступающих от сегмента авиационного пользователя, становится меньшим, чем минимальное пороговое значение, например, в маловероятном случае полной остановки авиационного воздушного движения, вычислительная система выбирает измерения задержек, поступающие от наземных станций. По соображениям безопасности минимальное количество наземных станций "SBAS G" поддерживается в эксплуатации для того, чтобы гарантировать минимальное количество измерений задержек.

Предпочтительным образом летательные аппараты 2 сегмента 200 пользователя содержат также средство приема показателя надежности функционирования радиочастотного приемника 21 и вычислительная система 1 наземного сегмента 300 содержит средство оценки надежности радиочастотных приемников 21, измеряющих задержки, и средство передачи показателя надежности упомянутых радиочастотных приемников 21 к летательным аппаратам 2 сегмента 200 пользователя. В расчете сетки 96 ионосферных коррекций наземная станция имеет возможность определять противоречивую величину по отношению к соседним величинам. Так, например, если выявляют высокую и изолированную величину ионосферной задержки в географической зоне, представляющей скорее небольшие величины задержек, из этого можно сделать вывод, что данное измерение является ложным и что радиочастотный приемник 21 летательного аппарата, о котором идет речь, вероятно, представляет нештатное функционирование.

Предпочтительным образом вычислительная система 1 при этом передает к множеству летательных аппаратов, имеющих на борту радиочастотные приемники, способные измерять задержки, показатель надежности их радиочастотного приемника. Предлагаемое изобретение позволяет установить систему, способную к взаимодействию между авиационным сегментом пользователя навигационной системы и организацией контроля спутниковой навигационной системы. Взамен доступа к измерениям задержек, реализованным на борту летательных аппаратов, организация контроля может выдавать показатель надежности радиочастотного приемника на борт данного летательного аппарата.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области спутниковых навигационных систем, и может быть использовано в сети для расчета и выдачи ионосферных коррекций пользователям. Технический результат заключается в обеспечении повышенной надежности в коммуникационной структуре ионосферных коррекций с использованием уже разработанных линий связи самолета в направлении наземного сегмента, повышении точности коррекций за счет отсутствия затрагивания измерений вкладами локальных погрешностей, обеспечении возможности выявлять малые ионосферные возмущения за счет более тонкой дискретизации сетки ионосферных коррекций, а также отсутствии ограничений по перекрытию морскими зонами или зонами горных массивов. Для этого сеть содержит авиационный сегмент (200), содержащий сегмент авиационного пользователя, образованный множеством летательных аппаратов (2) с радиочастотными приемниками на борту (21), с возможностью измерять задержки навигационных сигналов, излучаемых спутниками (GNSS), и авиационное средство (5) связи передачи данных между множеством летательных аппаратов (2) и наземным сегментом (300) для передачи измерений в наземный сегмент (300), а также средства, на уровне наземного сегмента (300), приема измерений, используемых для расчета упомянутой сетки, причем эти измерения задержек поступают от множества летательных аппаратов (2) и от множества наземных станций (SBAS G). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сеть для расчета и выдачи ионосферных коррекций пользователям спутниковой навигационной системы, содержащая:
космический сегмент (100), образованный множеством спутников (GNSS, SBAS S), излучающих навигационные сигналы (7, 8) на различных частотах и данные коррекции определения местоположения (91-95) к сегменту пользователя;
наземный сегмент, содержащий вычислительную систему (1) и средства (3) передачи данных к космическому сегменту (100) таким образом, чтобы вычислительная система (1) компилировала измерения ионосферной задержки, поступающие от множества наземных станций (SBAS G), для расчета сетки (96) ионосферных коррекций (91-95), и чтобы средства (3) передачи передавали сетку (96) ионосферных коррекций к космическому сегменту (100),
отличающаяся тем, что эта сеть также содержит:
авиационный сегмент (200), содержащий сегмент авиационного пользователя, образованный множеством летательных аппаратов (2), каждый из которых несет на своем борту радиочастотный (RF) приемник (21), имеющий возможность измерять задержки навигационных сигналов, излучаемых спутниками (GNSS), и авиационное средство (5) связи между множеством летательных аппаратов (2) и наземным сегментом (300) для передачи упомянутых измерений задержек к наземному сегменту (300),
средства, на уровне наземного сегмента, приема измерений задержек, используемых для расчета сетки (96), причем эти измерения задержек поступают от множества летательных аппаратов (2) и от множества наземных станций (SBAS G).

2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что вычислительная система (1) наземного сегмента (300) содержит средства выбора источников измерения задержек.

3. Сеть по п.2, отличающаяся тем, что летательные аппараты (2) сегмента пользователя содержат также средство приема показателя надежности функционирования упомянутого радиочастотного приемника.

4. Сеть по п.3, отличающаяся тем, что вычислительная система наземного сегмента содержит средство оценки надежности радиочастотных приемников (21), измеряющих задержки, и средство передачи показателя надежности упомянутых радиочастотных приемников на летательные аппараты (2) сегмента пользователя.

5. Способ для расчета и выдачи ионосферных коррекций пользователям спутниковой навигационной системы, отличающийся тем, что в этом способе используется сеть по п.4 для реализации следующих этапов:
измерение задержек на уровне сегмента авиационного пользователя и на уровне наземного сегмента (300),
передача задержек, измеренных при помощи множества летательных аппаратов (2), причем передача данных реализуется при помощи авиационной сети связи (5) к наземному сегменту (300),
расчет сетки (96) ионосферных коррекций путем компиляции данных, поступающих мажоритарным образом из измерений, реализованных на уровне сегмента авиационного пользователя,
передача к космическому сегменту (100) данных (с 91 по 95) сетки (96) ионосферных коррекций.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что упомянутые этапы реализуются в реальном времени и непрерывно.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для расчета сетки (96) ионосферных коррекций, в том случае, когда количество измерений задержек, поступающих от сегмента авиационного пользователя, становится меньшим, чем минимальное пороговое значение, вычислительная система выбирает измерения задержек, поступающие от наземных станций (SBAS G).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что вычислительная система (1) передает к множеству летательных аппаратов, имеющих на своем борту радиочастотный приемник (21), имеющий возможность измерять задержки, показатель надежности их радиочастотного приемника (21).