НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01S5/00 

Изобретение относится к области высокоточного позиционирования с помощью спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, позиционирования объектов на удаленных, труднодоступных территориях в северных широтах для навигации судов, мониторинга ледовой обстановки, плавучих платформ, полярных станций, разведки полезных ископаемых, объектов на железных дорогах и других.

Известна система высокоточного определения местоположения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем для информационной поддержки и оказания помощи людям с ослабленным зрением, включающая навигационные космические аппараты ГЛОНАСС, GPS или ГАЛИЛЕО, космические аппараты связных спутниковых систем, базовые станции сотовой связи, мобильные терминалы пользователя, контрольно-корректирующие станции, центр системы оказания помощи людям с ослабленным зрением и службы помощи пользователю в чрезвычайной ситуации (RU, заявка на изобретение №98914, A61F 9/08, 2010 г.). Недостатком данной системы является низкая точность определения местоположения вследствие эфемеридных и ионосферных погрешностей контрольно-корректирующих станций.

Известна городская навигационная система для слепого и полиции, действующих в условиях полной темноты, обеспечивающая точность определения местоположения до единиц сантиметров, с использованием дифференциального режима работы навигационной системы GPS (US, патент №6502032, G09B 21/00, 31.12.2002 г.). Недостатком данного технического решения является использование в переносном терминале односистемного навигационного приемника GPS, что уменьшает надежность определения координат в условиях городской многоэтажной застройки.

Известен способ компенсации основных погрешностей, возникающих при абсолютных фазовых GPS-измерениях, при использовании точных значений эфемерид и поправок часов спутников, информации о задержке спутникового сигнала в ионосфере и тропосфере (Статья «Оценка точности метода PRECICE POINT POSITIONING и возможности его применения при кадастровых работах» А.В. Виноградов и др. журнал Геопрофи, №2, 2010 г.). Недостатком этого способа является зависимость от точности и доступности данных обработки ГНСС-наблюдений.

Наиболее близкой является навигационно-информационная система высокоточного позиционирования, содержащая сеть навигационных приемников, навигационный приемник потребителя, сервер навигационных данных, блок управления центра оператора услуг, информационные входы-выходы которого через АРМы и Web серверы соединены с потребителями данных, последовательно соединенные блок ввода телевизионной информации и мультиплексор, последовательно соединенные демультиплексор и блок выделения телевизионной информации, потребитель точных координат (RU, опубликованная формула изобретения №2007134181, GO1S 5/00, 2007 г.). Недостаток данной навигационно-информационной системы высокоточного позиционирования заключается в относительно невысокой точности позиционирования вследствие использования дифференциальных поправок локального действия в качестве корректирующих поправок.

Технический результат от использования предложенной навигационной системы состоит в высокоточном позиционировании объектов за счет использования поправок к эфемеридно-временной информации (ЭВИ) глобального действия, передаваемых по каналам цифрового телевидения. Метод позиционирования с использованием эфемеридно-временных поправок получил название РРР (Precise Point Positioning).

Технический результат достигается за счет того, что в навигационной системе высокоточного позиционирования, содержащей сеть навигационных приемников, навигационный приемник потребителя, сервер навигационных данных, блок управления центра оператора услуг, информационные вход-выходы которого через АРМы и Web серверы соединены с потребителями данных, последовательно соединенные блок ввода телевизионной информации и мультиплексор, последовательно соединенные демультиплексор и блок выделения телевизионной информации, потребитель точных координат, согласно изобретению введены передающее оборудование федерального телецентра, приемник цифрового телевидения, сервер ввода навигационных данных, сервер криптозащиты, сервер биллинга, последовательно соединенные NTRIP-сервер, формирователь корректирующей информации и NTRIP-кастер, последовательно соединенные межсетевой экран, NTRIP-клиент и блок обработки информации, последовательно соединенные блок выделения корректирующих поправок и блок обработки навигационной информации в режиме РРР, а также FTP-сервер оперативных данных орбит, выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу FTP-клиента, выход которого подключен к второму входу формирователя корректирующей информации, выход каждого навигационного приемника сети через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу NTRIP-сервера, выход NTRIP-кастера через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к первому входу межсетевого экрана, второй выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу сервера ввода навигационных данных, выход которого подключен к второму входу мультиплексора, выход которого подключен к входу передающего оборудования федерального центра, счетный и управляющий вход-выходы блока управления центра оператора услуг соединены, соответственно, с выходом-входом сервера билллинга и управляющим выходом-входом блока обработки информации, защитный выход-вход которого соединен с входом-выходом сервера криптозащиты информации, а выход через сервер навигационных данных подключен к второму входу межсетевого экрана, выход приемника цифрового телевидения подключен к входу демультиплексора, второй выход которого подключен к входу блока выделения корректирующих поправок, выход навигационного приемника потребителя подключен к второму входу блока обработки навигационной информации по методу РРР, выход которого подключен к входу потребителя точных координат.

Дополнительное отличие состоит в том, что навигационные приемники выполнены многочастотными.

Сравнение заявленного технического решения с аналогом и прототипом позволило установить соответствие условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень», так как такое техническое решение не известно и явным образом не следует из уровня техники.

Предложенная система является промышленно применимой, поскольку может быть реализована существующими техническими средствами. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует установленным критериям патентоспособности изобретения.

На рис. 1 представлена структурная схема предложенной навигационной системы высокоточного позиционирования.

Навигационная система высокоточного позиционирования содержит сеть навигационных приемников 1, навигационный приемник 2 потребителя, сервер 3 навигационных данных, блок 4 управления центра оператора услуг, информационные вход-выходы которого через АРМы 5 и Web серверы 6 соединены с потребителями данных, последовательно соединенные блок 7 ввода телевизионной информации и мультиплексор 8, последовательно соединенные демультиплексор 9 и блок 10 выделения телевизионной информации, потребитель 11 точных координат, введены передающее оборудование 12 федерального телецентра, приемник 13 цифрового телевидения, сервер 14 ввода навигационных данных, сервер 15 криптозащиты, сервер 16 биллинга, последовательно соединенные NTRIP-сервер 17, формирователь 18 корректирующей информации и NTRIP-кастер 19, последовательно соединенные межсетевой экран 20, NTRIP-клиент 21 и блок 22 обработки информации, последовательно соединенные блок 23 выделения корректирующих поправок и блок 24 обработки навигационной информации в режиме РРР, а также FTP-сервер 25 оперативных данных орбит, выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу FTP-клиента 26, выход которого подключен к второму входу формирователя 18 корректирующей информации, выход каждого навигационного приемника сети 1 через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу NTRIP - сервера 17, выход NTRIP- кастера 19 через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к первому входу межсетевого экрана 20, второй выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу сервера 14 ввода навигационных данных, выход которого подключен к второму входу мультиплексора 8, выход которого подключен к входу передающего оборудования 12 федерального центра, счетный и управляющий вход-выходы блока 4 управления центра оператора услуг соединены, соответственно, с выходом-входом сервера 16 билллинга и управляющим выходом-входом блока 22 обработки информации, защитный выход-вход которого соединен с входом-выходом сервера 15 криптозащиты информации, а выход через сервер 3 навигационных данных подключен к второму входу межсетевого экрана 20, выход приемника 13 цифрового телевидения подключен к входу демультиплексора 9, второй выход которого подключен к входу блока 23 выделения корректирующих поправок, выход навигационного приемника 2 потребителя подключен к второму входу блока 24 обработки навигационной информации по методу РРР, выход которого подключен к входу потребителя 11 точных координат.

Навигационная система высокоточного позиционирования работает следующим образом.

Сеть 1, состоящая из постоянно действующих измерительных станций Глобальной Навигационной Спутниковой системы ГНСС, включает навигационные приемники ГНСС, расположенные на достаточно большой территории, например по всей территории РФ или по всему земному шару. Число станций может составлять от 10 до 80, в некоторых случаях выше. Станции в непрерывном режиме производят измерения первичных радионавигационных параметров по всем видимым спутникам ГНСС. К первичным радионавигационным параметрам относятся кодовые и «сырые» фазовые измерения ГНСС-приемников, входящих в состав станций, а именно измерения псевдодальности, псевдофазы, интегральные допплеровские измерения и величина отношения сигнал/шум по всем транслируемым частотным сигналам. Число наблюдаемых частот должно быть не менее двух (L1 и L2 для GPS, F1 и F2 для ГЛОНАСС и т.д.).

Данные с каждого навигационного приемника, входящего в сеть 1, передаются по имеющимся каналам связи на NTRIP-сервер 17, обеспечивающий централизованный сбор данных со всех станций в реальном времени по протоколу NTRIP. Могут использоваться другие протоколы Интернета, например TCP или UDP, однако, протокол NTRIP разработан специально для передачи данных такого рода и поэтому наиболее удобен.

Данные с NTRIP-сервера 17 поступают на формирователь 18 корректирующей информации. Формирователь 18 корректирующей информации представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для расчета высокоточной эфемеридно-временной информации, т.е. корректирующей информации для параметров орбит и часов космических аппаратов ГНСС в реальном времени. Для расчета используется вспомогательная информация, предоставляемая национальными или международными сервисами расчета прогнозных значений высокоточных орбит. Прогнозные параметры орбит предоставляются при помощи протокола FTP по имеющимся каналам связи, например по сети Интернет или выделенным каналам связи при помощи FTP-клиента 26 от FTP-сервера 25 оперативных данных орбит.

Формируемые корректирующие поправки к параметрам орбит и бортовых часов приводятся в формате, который способно прочитать конечное оборудование. При этом может использоваться стандарт передачи навигационных данных RTCM 10403.1 с дополнениями 1, 2, 3, 4, 5, определяющий для корректирующих поправок к ЭВИ специальные сообщения RTCM SSR. Также могут использоваться специализированные форматы передачи данных.

Сформированные поправки передаются от формирователя 18 корректирующей информации посредством NTRIP-кастера 19 по имеющимся выделенным каналам связи или сети Интернет на NTRIP-клиент 21, расположенный в центре оператора услуг навигационной системы высокоточного позиционирования. NTRIP-клиент 21 и NTRIP-кастер 19 подключены к сети Интернет через межсетевой экран 20 для защиты от угроз несанкционированного доступа к информации.

От NTRIP-клиента 21 поправки передаются в блок 22 обработки информации. Блок 22 обработки информации обеспечивает санкционированный доступ зарегистрированных пользователей, оформивших доступ к поправкам. Для этого используются данные о пользователях, сроках действия и типах оформленных подписок от блока 4 управления центра оператора услуг, а также от сервера 15 криптозащиты информации, обеспечивающего требуемое закрытие информации.

Данные пользователей и информация об их подписках заносится в блок 4 управления центра оператора услуг с помощью АРМ 5 операторов и Web-сервера 6, с которыми взаимодействуют пользователи и потребители данных. При предоставлении подписок на платной основе для учета используется сервер биллинга 16.

Высокоточные поправки, защищенные от несанкционированного доступа, от блока 22 обработки информации передаются на сервер 3 навигационных данных. С выхода сервера 3 высокоточные поправки передаются на сервер 14 ввода навигационных данных через сеть Интернет или выделенные каналы связи. При этом используется межсетевой экран 20 для защиты информации от несанкционированного доступа из сети Интернет.

Сервер 14 ввода навигационных данных осуществляет инкапсуляцию информации в соответствии с действующими нормативными документами для последующей передачи по каналам цифрового телевидения. Инкапсулированная необходимым образом информация объединяется в мультиплексоре 8 с телевизионной информацией, поступающей от блока 7 ввода телевизионной информации. Данные с мультиплексора 8 поступают на передающее оборудование 12 федерального телецентра. Федеральный телецентр осуществляет передачу телевизионных данных с инкапсулированными данными поправок к ЭВИ по всей территории страны.

С выхода приемника 13 цифрового телевидения информация с федерального телецентра в демультиплексоре 9 разделяется на телевизионную информацию, обработку которой осуществляет блок 10 выделения телевизионной информации, и корректирующую ЭВИ, которая передается в блок 23 выделения корректирующих поправок.

Информация с выхода блока 23 выделения корректирующих поправок, представляющая собой восстановленный поток поправок от сервера 3 навигационных данных, поступает на блок 24 обработки навигационной информации по методу РРР.

Блок 24 обработки навигационной информации по методу РРР определяет координаты с высокой точностью, используя алгоритм РРР. Для этого он получает первичные радионавигационные измерения от навигационного приемника 2 потребителя. Навигационный приемник 2 потребителя, как и навигационные приемники сети 1, многочастотные. Используя полученные от блока 23 выделения корректирующих поправок поправки к ЭВИ, производится обработка данных с навигационного приемника 2 потребителя. Для этого блок 24 обработки навигационной информации по методу РРР обеспечивает необходимое открытие информации при наличии соответствующей подписки у пользователя. Полученные точные координаты передаются потребителю 11 точных координат.

Сформированные поправки в режиме РРР (поправки к ЭВИ), в отличие от дифференциальных поправок, которые используют в высокоточной навигации, имеют глобальных характер действия, т.е. их можно применять в любой точке земного шара. Получаемая точность не будет зависеть от удаления от станций сети ГНСС, тогда как для дифференциальных режимов максимально допустимое расстояние для применения высокоточных методов RTK (Real Time Kinematic) ограничивается расстоянием около 40 км.

Применение наземной сети цифрового телевидения DVB-T2, охват которой к 2015 году составит свыше 96,7% населения РФ по данным ФЦП «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015 годы», позволит доставить сформированные в одном центре поправки практически одновременно по всей территории РФ. При этом не потребуется строительство дополнительной инфраструктуры и использования дополнительного оборудования в региональных вещательных центрах, т.к. сформированные поправки имеют глобальный характер действия. В отличие от предложенного способа, применение известных дифференциальных поправок, имеющих радиус действия до 40 км, потребовало бы размещение дорогостоящего ГНСС-оборудования в каждом региональном вещательном центре, которых на территории РФ насчитывается свыше 5000.

Изобретение относится к области высокоточного позиционирования с помощью спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, позиционирования объектов на удаленных, труднодоступных территориях в северных широтах для навигации судов, мониторинга ледовой обстановки, плавучих платформ, полярных станций, разведки полезных ископаемых, объектов на железных дорогах и других. Технический результат состоит в высокоточном позиционировании объектов за счет использования эфемиридно-временных поправок глобального действия, передаваемых по каналам цифрового телевидения. Для этого введены передающее оборудование федерального телецентра, приемник цифрового телевидения, сервер ввода навигационных данных, сервер криптозащиты, сервер биллинга, NTRIP-сервер, формирователь корректирующей информации, NTRIP-кастер, межсетевой экран, NTRIP-клиент, блок обработки информации, блок выделения корректирующих поправок, блок обработки навигационной информации по методу РРР, FTP - сервер оперативных данных орбит и FTP - клиент. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Навигационная система высокоточного позиционирования, содержащая сеть навигационных приемников, навигационный приемник потребителя, сервер навигационных данных, блок управления центра оператора услуг, информационные вход-выходы которого через АРМы и Web серверы соединены с потребителями данных, последовательно соединенные блок ввода телевизионной информации и мультиплексор, последовательно соединенные демультиплексор и блок выделения телевизионной информации, потребитель точных координат, отличающаяся тем, что введены передающее оборудование федерального телевизионного центра, приемник цифрового телевидения, сервер ввода навигационных данных, сервер криптозащиты, сервер биллинга, последовательно соединенные NTRIP-сервер, формирователь корректирующей информации и NTRIP-кастер, последовательно соединенные межсетевой экран, NTRIP-клиент и блок обработки информации, последовательно соединенные блок выделения корректирующих поправок и блок обработки навигационной информации в режиме РРР, а также FTP-сервер оперативных данных орбит, выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу FTP-клиента, выход которого подключен к второму входу формирователя корректирующей информации, выход каждого навигационного приемника сети через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу NTRIP-сервера, выход NTRIP-кастера через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к первому входу межсетевого экрана, второй выход которого через сеть Интернет или выделенные каналы связи подключен к входу сервера ввода навигационных данных, выход которого подключен к второму входу мультиплексора, выход которого подключен к входу передающего оборудования федерального телевизионного центра, счетный и управляющий вход-выходы блока управления центра оператора услуг соединены, соответственно, с выходом-входом сервера биллинга и управляющим выходом-входом блока обработки информации, защитный выход-вход которого соединен с входом-выходом сервера криптозащиты информации, а выход через сервер навигационных данных подключен к второму входу межсетевого экрана, выход приемника цифрового телевидения подключен к входу демультиплексора, второй выход которого подключен к входу блока выделения корректирующих поправок, выход навигационного приемника потребителя подключен к второму входу блока обработки навигационной информации по методу РРР, выход которого подключен к входу потребителя точных координат.

2. Навигационная система высокоточного позиционирования по п. 1, в которой навигационные приемники выполнены многочастотными.