СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ЛОКАЛЬНОЙ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ СТАНЦИИ (ЛККС) С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АНОМАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ Российский патент 2015 года по МПК G01S19/07 

Изобретение относится к областям радиотехники, вычислительной техники и глобальных навигационных спутниковых систем и может быть использованно в гражданской авиации.

Известен способ формирования поправок к навигационной информации для воздушных судов (ВС), описанный в полезной модели «Наземная система функционального дополнения в спутниковой радионавигации с формированием поправок к псевдодальностям [патент №38055, МПК G01C 21/24 от 17.02. 2004], характеризующийся приемом и обработкой радиосигналов навигационных спутников (НС) с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников и вычислителя, составляющих ЛККС с заранее определенными координатами ее дислокации, при этом, имея избыточную информацию от различных глобальных навигационных систем, вычисляют координаты ЛККС по радиосигналу НС этих систем и сравнивают их с точными реальными координатами дислокации ЛККС, на основании чего вырабатывают поправки к рассчитанным кодам псевдодальности.

Недостатком известного способа является отсутствие в нем учета влияния ионосферы, при возмущении которой при повышении активности солнца и космических излучений, вырастают погрешности кодов псевдодальности и падает точность измерения координат ЛККС и поправок к кодам псевдодальности, а также отсутствие самоконтроля ЛККС.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ определения недопустимой аномалии принимаемых сигналов навигационных спутников» [патент №2393504, МПК G01S 19/07 от 23.10. 2008 г.], характеризующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности.

Недостатком известного способа-прототипа является то, что он не учитывает влияние ионосферы, изменяющей свою электрическую проводимость в зависимости от времени суток и года, но главное - от активности солнца и космических лучей, на изменяющиеся условия прохождения радиосигналов НС, т.е. на важнейший параметр спутниковой навигации - код псевдодальности.

В зависимости от степени ионизации пространства, через которое проходят радиосигналы НС (точнее - периодические радиопосылки, представляющие собой ограниченные во времени излучения несущей радиочастоты, промодулированные закодированной информацией о точном времени излучения радиопосылки, номере НС и др.), изменяются условия прохождения и, самое главное, - время прохождения радиосигнала. Путь радиосигнала от НС, находящихся на высоте 20000 км от земли, до ЛККС, находящейся на земле, практически проходит через ионосферу (кроме 50-60 км, смежных с землей), сильно изменяющей свой атомно-молекулярный состав под действием солнечных и космических лучей; в результате ионизации образуются отрицательные свободные электроны, положительные ионы и нейтральные частицы. Наиболее сильное влияние на радиосигнал оказывают электроны, грубо говоря, искривляющие путь радиосигнала, несколько увеличивая его и соответственно увеличивая время прохождения радиосигнала от момента его излучения (содержится в радиопосылке) до момента его приема спутниковым навигационным приемником на земле (определяется с помощью часов спутникового навигационного приемника, синхронизированных с атомными часами НС). Проще говоря, время прохождения радиосигнала от НС до приемника (несколько десятков МС в зависимости от удаленности конкретного НС от приемника) и есть код псевдодальности. Имея в приемнике такие коды от трех различных спутников, однозначно вычисляется точка нахождения приемника на земле (в виде географических или других координат).

Но из-за ионизации пространства и искривления пути радиосигнала точность известного способа ухудшается от долей метра (в отсутствии ионизации) до десятков и даже сотен метров, что не желательно для безопастности движения воздушных судов (ВС) гражданской авиации.

Техническим результатом и целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа за счет обеспечения обнаружения и вычисления величины погрешности влияния ионосферы на коды псевдодальности путем использованного дополнительного к ЛККС выносного оборудования (ВО), принимающего также радиосигналы НС и позволяющего измерить и сопоставить полные фазы раниосигналов в разнесенных точках.

Указанные технический результат и цель достигаются тем, что способ повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы, характерезующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности, способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО), отнесенное от ЛККС на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соедененные антенный модуль и БСП для приема и обработки радиосигналов от НС, при этом один из приемников в БСП ЛККС и ВО используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов НС, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС в ЛККС и ВО обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС и зная расстояние между ЛККС и ВО, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности по измерениям полных фаз в разнесенных БСП, для чего значение полных фаз из ВО по соответствующему каналу передают в ВЧ ЛККС, где окончательно определяют погрешность влияния ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО и ЛККС, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в памяти ВЧ ЛККС.

На фиг.1 представлен эскиз, поясняющий осуществления способа.

Способ использует ЛККС 1 в составе антенного модуля 1.1, БСП 1.2, ВЧ 1.3, антенно-фидерного устройства (АФУ) 1.4 и передатчика 1.5 дифференциальных поправок, метеодатчиков 1.6 и ВО 2 в составе своих антенного модуля 2.1, БСП 2.2 и АФУ 2.3 и приемника 2.4 дифференциальных поправок, а также канал 3 связи.

Для пояснения показаны группа 4 НС, лучи 5 радиосигналов НС, лучи 6 радиосигналов дифференциальных поправок, земля 7 и ВС 8.

Способ повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью наземной локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) 1 (фиг.1) с учетом влияния аномальной ионосферы, характерезующийся тем, что ЛККС 1, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы 5 группы радиовидимых навигационных спутников (НС) 4 действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля 1.1, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) 1.2 и вычислителя (ВЧ) 1.3, при этом получают расчетные данные координат ЛККС1 для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС 1 вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС 4 соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ 1.3 использование некондиционных НС 4 до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ 1.3 полученные при использовании кондиционных НС 4 дифференциальные поправки 6 к кодам псевдодальности, и тем, что способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО) 2, отнесенное от ЛККС 1 на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соединенные антенный модуль 2.1 и БСП 2.2 для приема и обработки радиосигналов 5 от НС 4, при этом один из приемников в БСП 1.2 и 2.2 ЛККС1 и ВО 2 используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов 6 НС 4, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС 4 в ЛККС 1 и ВО 2 обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП 1.2 и 2.2 таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки 6 конкретного НС 4 и зная расстояние между Л ККС 1 и ВО 2, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности 6 по измерениям полных фаз в разнесенных БСП 1.2 и 2.2, для чего значение полных фаз из ВО 2 по соответствующему каналу 3 передают в ВЧ 1.3 ЛККС 1, где окончательно определяют погрешность влияния ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности 6 путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО 2 и ЛККС 1, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в памяти ВЧ 1.3 ЛККС 1.

Способ осуществляется следующим образом.

Пусть, например, ЛККС 1 и ВО 2 установлены в некотором аэропорту (в настоящее время ЛККС 1 работает во всех крупных аэропортах РФ, всего около 100) с выносом ВО 2 от ЛККС 1 на несколько сотен метров (имеющиеся реализации: от 200 до 6000 м). Для указанных разнесений антенные модули 1.1 и 2.1 принимают радиосигналы 5 практически от одних и тех же НС 4, которые проходят через один и тот же слой ионосферы.

Следует заметить, что ЛККС 1 обладает ценной и точной информацией состояния всех действующих в настоящее время глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, а теперь и китайской - КОМПАС), т.к. использует чувствительные приемники БСП 1.2 с резервированием и корреляционной обработкой радиосигналов 5 с относительно мощным вычислителем (ВЧ) 1.5, чего, естественно, в полной мере из-за весогабаритных ограничений не может позволить бортовое навигационное оборудование ВС 8. Поэтому основной задачей ЛККС 1 является выработка и передача на борт ВС 8 дифференциальных поправок (ДП) 6 к коду псевдодальности, что практически и осуществляют, например, с темпом выдачи ДП 2 раза в минуту в зоне действия ЛККС 1, например составляющей 250 км вокруг аэропорта. Причем в зоне действия ЛККС 1 выдают ДП 6 автоматически и сразу на все ВС 8, находящиеся в этой зоне через соответствующие передатчик 1.5 и АФУ 1.4 (фиг.1), например в УКВ-диапазоне. Принимаемые на ВС 8 через свои бортовые АФУ 2.3 и УКВ-приемник 2.4 ДП 6 используют для автоматического уточнения в бортовом спутниковом навигационном приемнике, расчитывающем коды псевдодальностей для данного ВС 8 (а, следовательно, - его координаты местоположения в пространстве) без участия пилота, который видит лишь уточнение курса полета (на фиг.1 не показано бортовое оборудование, т.к. это выходит за рамки данной заявки).

Сказанное выше относится, главным образом, к работе известного прототипа и приводится для большей ясности заявленного изобретения. Причем без учета аномалий ионосферы, влияющих на точность кодов псевдодальностей, падающей, в худшем случае, на сотни метров.

Собственно способ данной заявки состоит в выявлении и оценке возникающих аномалий ионосферы, причем не только для своевременных уточнений через ДП 6 кодов псевдодальностей для ВС 8, но и для многих других задач, например для выбора места дислокации ЛККС 1 и др.

Для выявления и оценки возникающих аномалий в ионосфере в способе используют ВО 2, отнесенное от ЛККС 1 на несколько сотен метров (в зависимости от возможностей данного аэропортана 200-6000 м, не принципиально), имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации (первоначально с помощью геодезических приборов с установкой соответствующего геодезического колышка, а затем в процессе работы ВО 2 совместно с ЛККС 1 эти координаты уточняют собственными средствами). ВО 2 содержит свои последовательно соединенные антенный модуль 2.1 и БСП 2.2 для приема и обработки радиосигналов 5 от НС 4. Важно подчеркнуть, что один из приемников в БСП 2.2 ВО 2 и в БСП 1.2 ЛККС 1 используют в режиме фазовых измерений принимаемых радиосигналов 5 от НС 4, т.е, говоря более точно, определения количества полных фаз или их долей (или периодов или их долей), укладывающихся от конкретного НС 4 до конкретного спутникового приемника (т.е. БСП 1.2 и 2.2) несущей радиочастоты соответствующего радиосигнала НС 4 (точнее, радиопосылки с ограниченой длиной). На используемых несущих частотах радиосигналов НС 4 с точностью до сантиметра достаточно подсчитывать полные фазы (периоды). Одновременно принимаемые радиосигналы 5 от кондиционных конкретных НС 4 в разнесенных БСП 1.2 и 2.2 обрабатывают таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС 4 и зная расстояние между ЛККС 1 и ВО 2 (или их координаты дислокации), определяют в единицах измерения длины (в сантиметрах или метрах) погрешность влияния ионосферы на значение кода псевдодальности. Говоря проще, за счет искривления луча 5 радиопосылки от НС 4 (влияют свободные электроны ионизированной области) происходит удлинение его пути и соответствующий набег фаз. Причем чем больше аномалия ионосферы, тем больше искривление луча 5 и тем больше набег фаз. Измерения из ВО 2 по каналу 3 передают в ВЧ 1.3 ЛККС 1, где сравниваются соответствующие пары измерений в ВО 2 и ЛККС 1 для одних и тех же НС 4 и одних и тех же моментов времени и определяют степень влияния ионосферы на коды псевдодальности. Кроме того, в ВЧ 1.3 осуществляют статистическую обработку с наблюдениями на заданных интервалах времени, в т.ч. суточных и сезонных, формируют вектор перемещения аномалии ионосферы и запоминают результаты для дальнейшего использования.

При этом в БСП 1.2 и 2.2 может использоваться различное количество приемников, что влияет на надежность и качество работы и не меняет сути способа. Аналогично в способе могут быть использованы метеодатчики 1.6 температуры, влажности и давления воздуха в зоне дислокации ЛККС 1 и ВО 2. В способе могут быть использованы многочастотные радиосигналы НС 4 (в настоящее время спутники излучают в каждой посылке две частоты, а в будущем возможно 3 и более частот.) При двухчастотном режиме БСП 1.2 и 2.2 устанавливают соответствующие приемники и получают примерно в два раза более точные измерения.

Способ обладает дополнительным положительным эффектом самоконтроля. При этом дополнительно к описанным выше процессам добавляется прием в ВО 2 из ЛККС 1 ДП 6 (через передатчик 1.5, АФУ 1.4, радиоканал 6 и АФУ 2.3 в приемник 2.4), которые периодически, например через 30 секунд, выдаются в эфир для ВС 8 (фиг.1) и учитывают в каждый момент времени состояния спутниковой погоды (в ЛККС 1 путем сопоставления работы НС 4 различных глобальных навигационных спутниковых систем выявляют и в дальнейшем используют только кондиционные НС 4) и аномалий ионосферы. Причем, принимая ДП 6 в приемник 2.4, ВО 2 является имитатором ВС 8, но в отличие от последнего имеет точные выверенные и неизменные свои координаты дислокации. Далее в БСП 2.2 корректируют рассчитанные в нем коды псевдодальности в соответствии с полученной в данный момент времени ДП 6, а результаты передают по каналу 3 в ВЧ 1.3, где по ним рассчитывают координаты ВО 2 и сравнивают их с эталонными заранее известными выверенными координатами дислокации ВО 2. При совпадении этих значений в допуске констатируют исправную работу ЛККС 1 и ВО 2 и правильность выработки ДП 6. В противном случае по радиоканалу ДП 6 для ВС 8 выдают запрет на использование ДП 6 до реабилитации в последующих циклах контроля.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы. Технический результат состоит в обеспечении обнаружения и вычисления величин погрешности влияния ионосферы на коды псевдодальности. Для этого наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО), имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее антенный модуль и БСП для приема и обработки радиосигналов от НС, используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов НС, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС и зная расстояние между ЛККС и ВО, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности по измерениям полных фаз в разнесенных БСП, для чего значение полных фаз из ВО по соответствующему каналу передают в ВЧ ЛККС, где окончательно определяют погрешность влияния ионосферы на текущий момент. 6 з.п. ф-лы,1 ил.

1. Способ повышения точности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы, характеризующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствуяющих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют, выдают на воздушные суда (ВС) и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности, отличающийся тем, что способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО), отнесенное от ЛККС на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соединенные антенный модуль и БСП для приема и обработки радиосигналов от НС, при этом один из приемников в БСП ЛККС и ВО используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов НС, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС в ЛККС и ВО обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС и, зная расстояние между ЛККС и ВО, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности по измерениям полных фаз в разнесенных БСП, для чего значение полных фаз из ВО по соответствующему каналу передают в ВЧ ЛККС, где окончательно определяют погрешность влияний ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО и ЛККС, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в ВЧ ЛККС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в БСП ЛККС и ВО используют n приемников при n=1, 2. 3, …

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в ЛККС и ВО принимают и обрабатывают x-частотные радиосигналы НС при x=1, 2, 3, …

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем учитывают данные метеодатчиков температуры, влажности и давления воздуха в зоне действия ЛККС.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процедуру определения погрешности кода псевдодальности от влияния ионосферы повторяют несколько раз и усредняют погрешность.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют самоконтроль ЛККС и ВО, для чего выдаваемые в эфир из ЛККС с помощью радиопередатчика для ВС дифференциальные поправки принимают через соответствующий радиоканал в ВО и с помощью его БСП учитывают в значениях псевдодальностей, принимаемых через свой антенный модуль от текущих радиовидимых кондиционных НС, по которым рассчитывают координаты местоположения ВО с учетом влияния ионосферы, а затем сравнивают рассчитанные координаты с реальными координатами дислокации ВО, результаты сравнения передают по соответствующему каналу в ВЧ ЛККС для регистрации и последующего анализа, при превышении допуска различия рассчитанных и реальных координат местоположения ВО констатируют отрицательный результат контроля, в связи с чем по радиоканалу дифференциальных поправок из ЛККС передают для ВС команду о временном запрете использования дифференциальных поправок, далее повторяют процедуры контроля ЛККС и ВО, мониторинга кондиции глобальных навигационных спутниковых систем и выработки новых дифференциальных поправок, которые вновь разрешают для использования ВС при непревышении указанного выше допуска.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ЛККС используют любую другую станцию, принимающую радиосигналы НС и обрабатывающую их с помощью аналогичных БСП и ВЧ, в т.ч. - второе ВО с ВЧ.