СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПЕРЕДАТЧИКА РАДИОСИГНАЛОВ, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Российский патент 2016 года по МПК G01S5/02 

Настоящее изобретение относится к системе определения географического местоположения по меньшей мере одного передатчика радиосигналов, расположенного на поверхности Земли, и соответствующему способу распределенной интерферометрии.

Известны системы определения географического местоположения или геопозиционирования по меньшей мере одного передатчика радиосигналов, расположенного на поверхности Земли, с помощью множества спутников, оснащенных приемниками GPS (аббревиатура, означающая «Глобальная система позиционирования» с помощью спутника). В качестве примеров можно привести программу AIS («Система автоматического опознавания») и систему ORBCOM.

Такие системы определения географического местоположения передатчиков радиосигналов, расположенных на поверхности Земли, часто зависят от внешней системы - системы GPS. При этом в случае сбоя системы GPS, либо погрешностей, либо отказа обмениваться данными их владельцем такая система определения географического местоположения, которая зависит от них, становится неработоспособной или имеет существенно возросшую погрешность.

Такие системы ограничены по точности определения местоположения в тех случаях, когда пространственный сегмент системы ограничен одним спутником, поскольку образующаяся база антенн, как правило, не превышает приблизительно десяти метров.

Такие системы ограничены по способности обнаружения и отслеживания в тех случаях, когда система распределена по нескольким спутникам, ввиду сложности синхронизации и обмена данными между спутниками. Определение местоположения осуществляется апостериори на земле.

Одной целью данного изобретения является создание системы определения географического местоположения передатчика электрических сигналов, расположенного на поверхности Земли, которая является независимой от системы GPS, автономной, повышенной точности, в том числе при наличии маневров спутников, гибкой и имеющей расширенную интерферометрию, т.е., в которой база антенн варьируется от нескольких метров до нескольких десятков километров.

В соответствии с одним вариантом изобретения предлагается система определения географического местоположения, по меньшей мере, одного передатчика радиосигналов, расположенного на поверхности Земли, содержащая:

- множество спутников, оснащенных приемными антеннами, выполненными с возможностью приема упомянутых сигналов и образующих главное устройство расширенной интерферометрии,

- устройство межспутниковых относительных измерений для определения относительных положений упомянутых спутников относительно друг друга, включающее в себя, по меньшей мере, специализированный датчик для каждого спутника и средство межспутниковой связи,

- устройство для датирования упомянутых принимаемых сигналов по результатам упомянутого определения относительных положений упомянутых спутников относительно друг друга, выдаваемых упомянутым устройством межспутниковых относительных измерений,

- вспомогательное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере один набор по меньшей мере из трех антенн спутника,

- наземную базовую станцию,

- устройство для передачи полученных на спутниках результатов измерений на наземную базовую станцию и

- средство для определения абсолютного положения по меньшей мере одного из спутников.

Такая система может использоваться для получения доступа к автономному обнаружению практически в реальном времени в соответствии с вычислительными возможностями на борту спутников, при этом основным устройством интерферометрии в этом случае обеспечивается повышенная точность определения местоположения, если сигнал является гармоническим и/или при его анализе может использоваться расширенная база антенн.

Настоящее изобретение целесообразно применять в области наблюдений в пассивном диапазоне радиочастот (РЧ) для идентификации наземных передатчиков, например при обнаружении аварийно-спасательных маяков.

Кроме того, совокупность вспомогательного устройства интерферометрии и устройства межспутниковых измерений для определения относительных положений упомянутых спутников относительно друг друга, расположенных на заданном спутнике, может использоваться для устранения неопределенности фазы несущей до увеличения точности определения местоположения с помощью расширенной базы антенн основного устройства интерферометрии.

Устройство межспутниковых измерений может включать в себя радиочастотное устройство формации спутников, или FFRF, возможно, дополненную оптическим измерительным устройством. Использование данных межспутниковых измерений исключает зависимость от спутниковой системы позиционирования, такой как система GPS, и позволяет осуществлять выборку относительного положения спутников с повышенной точностью. Это позволяет также осуществлять точную синхронизацию измерений сигнала наземной станции, обмен результатами которых может осуществляться по линии связи (например, устройства FFRF), что открывает возможность автономной бортовой обработки данных и, тем самым, определения местоположения наземных передатчиков в реальном времени.

Использование межспутниковых измерений также позволяет осуществлять автономное управление спутниковой формацией и обеспечивает значительную гибкость с точки зрения конфигурации (возможная избыточность линии связи с Землей, реконфигурация роли и положения спутников и т.д.).

Использование межспутниковых измерений также обеспечивает возможность приспособления системы к любому типу орбиты (низкая (LEO), средняя (MEO), геосинхронная (GEO), высокоэллиптическая (HEO), наклонная геостационарная (IGSO)).

В одном варианте осуществления упомянутое средство определения абсолютного положения по меньшей мере одного из спутников, включает в себя по меньшей мере один наземный передатчик с известным местоположением.

Как вариант, упомянутое средство определения абсолютного положения по меньшей мере одного из спутников включают в себя приемник спутниковой системы позиционирования, такой как GPS, GALILEO или DORIS.

В соответствии с одним вариантом осуществления устройство для передачи полученных на спутниках результатов измерений на наземную базовую станцию включает в себя набор из по меньшей мере одной антенны, размещаемой на упомянутом спутнике таким образом, что спутник содержит не более одной из них.

В одном варианте осуществления множество спутников включает в себя главный спутник и по меньшей мере один вспомогательный спутник, причем упомянутый главный спутник включает в себя упомянутое передающее устройство, содержащее одиночную антенну, и выполнен с возможностью получения набора упомянутых принимаемых сигналов, упомянутых относительных положений и упомянутых датирований, передаваемых упомянутым множеством спутников, и передачи их на упомянутую наземную базовую станцию.

Данный вариант осуществления упрощает передачу данных на Землю путем назначения предпочтительной роли одному из спутников, которые при этом могут также отвечать за обработку вычислений или заблаговременную предварительную обработку результатов измерений. При этом архитектура остальных спутников может быть упрощена.

В соответствии с одним вариантом осуществления система содержит средство определения географического положения упомянутого передатчика, размещаемого на упомянутом главном спутнике.

Например, второстепенное устройство интерферометрии выполнено с возможностью обеспечения приблизительного определения географического положения упомянутого передатчика, который может также задавать начальные условия для точного определения географического положения упомянутого передатчика с помощью главного устройства расширенной интерферометрии.

В действительности при обработке результатов измерений на борту спутника второстепенное устройство интерферометрии может использоваться для грубого определения географического положения передатчика или для задания начальных условий определения точного географического положения передатчика главным устройством интерферометрии. Рассматриваемая база антенн является расстоянием, разделяющим специализированные антенны на рассматриваемом спутнике.

Главное устройство интерферометрии может в таком случае использоваться для определения географического положения передатчика с повышенной точностью, при этом рассматриваемая база антенн является расстоянием, разделяющим спутники, и известна благодаря устройству межспутниковых измерений. Данный вариант осуществления реализуется благодаря точной синхронизации и обмену результатами измерений между спутниками, что может использоваться для вычисления углового положения по знанию базы антенн на основе синхронизированных измерений разности путей прохождения сигнала.

В соответствии с другим вариантом осуществления система содержит средство определения географического положения упомянутого передатчика, размещаемого на упомянутой наземной станции.

Так, например, в соответствии с существующими методами обработки сигналов может быть введена автономная обработка различных измерений, обеспечивающая гибкость анализа упомянутых сигналов, позволяющего осуществлять более исчерпывающее определение местоположения набора измеряемых сигналов.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один из упомянутых спутников содержит микродвигательную установку.

Благодаря этому можно точно изменять по команде относительные расстояния спутниковых антенн во время измерений и устранять систематическую погрешность измерений.

Например, упомянутые приемные антенны выполняются с возможностью приема РЧ (радиочастотных) электрических сигналов.

Благодаря этому потенциально возможно определение местоположения любого типа наземного передатчика радиочастотных сигналов в соответствии с точностью определения базы измерительных антенн.

В одном варианте осуществления упомянутое устройство межспутниковых относительных измерений содержит радиочастотное устройство формации спутников и, возможно, оптическое измерительное устройство.

В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения предлагается также способ определения географического местоположения по меньшей мере одного передатчика радиосигналов, расположенного на поверхности Земли, в котором относительные положения и относительная синхронизация между спутниками определяются путем межспутниковых измерений, при этом упомянутые принимаемые сигналы по результатам упомянутого определения относительных положений упомянутых спутников относительно друг друга датируются.

Изобретение будет более понятным после изучения некоторых вариантов осуществления, описанных с помощью неограничительных примеров и проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, на которых:

- фиг. 1 схематически иллюстрирует систему определения географического местоположения передатчика электрических сигналов в соответствии с одним вариантом изобретения; и

- фиг. 2 схематически иллюстрирует систему определения географического местоположения передатчика электрических сигналов в соответствии с другим вариантом изобретения.

На всех чертежах элементы, имеющие одинаковые ссылочные позиции, аналогичны.

На фиг. 1 схематически показана система определения географического местоположения по меньшей мере одного передатчика радиосигналов ES, расположенного на поверхности Земли, включающая в себя множество спутников, например три спутника SAT1, SAT2 и SAT3, каждый из которых оснащен соответственно приемными антеннами ANT1, ANT2 и ANT3, выполненными с возможностью приема сигналов, передаваемых передатчиком ES. Как вариант, система определения географического местоположения может содержать любое число спутников, большее или равное двум.

Система содержит главное устройство расширенной интерферометрии, содержащее по меньшей мере одну антенну ANT1_1, ANT1_2, ANT1_3 для каждого спутника SAT1, SAT2, SAT3.

Система также содержит устройство межспутниковых относительных измерений для определения относительных положений упомянутых спутников SAT1, SAT2 и SAT3 относительно друг друга, содержащее по меньшей мере один специализированный датчик - в этом случае специализированный датчик CAPTd_1, CAPTd_2 и CAPTd_3 для каждого спутника SAT1, SAT2 и SAT3 - и модули межспутниковой связи СОММ1, COMM2 и СОММ3.

Система дополнительно содержит устройство для датирования DAT1, DAT2 и DAT3 принимаемых сигналов на основе определения относительных положений спутников SAT1, SAT2 и SAT3 относительно друг друга, выдаваемых упомянутым устройством межспутниковых относительных измерений. Устройство датирования показанного на фиг. 1 примера осуществления содержит три модуля датирования DAT1, DAT2 и DAT3, устанавливаемых, соответственно, на спутниках SAT1, SAT2 и SAT3. Благодаря этому датирование результатов измерений может быть синхронизировано между спутниками с помощью устройства межспутниковых относительных измерений.

Устройство датирования DAT1, DAT2 и DAT3 использует результаты измерений псевдорасстояний различных сигналов, передаваемых спутниками SAT1, SAT2 и SAT3 группировки. Для установления временных сдвигов между передатчиками и приемниками используется метод корреляции RPN-кода. Точное датирование при этом использует метод передачи данных (результатов измерений псевдорасстояний) и времени для синхронизации текущих значений времени спутников SAT1, SAT2 и SAT3 друг с другом. Такое эталонное время может при этом использоваться для датирования в одной и той же системе координат результатов измерений наземных радиопередатчиков, принимаемых спутниками SAT1, SAT2 и SAT3.

Система также содержит вспомогательное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере один набор по меньшей мере трех антенн ANT21_3, ANT22_3, ANT23_3 спутника - в данном случае третьего спутника SAT3, наземную базовую станцию SBS и модуль для определения абсолютного положения DPA по меньшей мере одного спутника - в данном случае первого спутника SAT1. Предпочтительный спутник - в данном случае третий спутник SAT3 - подает эталонное время через вспомогательное устройство интерферометрии.

Модуль для определения абсолютного положения DPA первого спутника SAT1 содержит, как показано в данном примере по меньшей мере один наземный передатчик ЕС с известным местоположением.

Как вариант, модуль для определения абсолютного положения DPA, по меньшей мере, одного спутника может содержать приемник спутниковой системы позиционирования.

Этот модуль для определения географического положения DPA может, например, выполнять измерения псевдорасстояний и/или доплеровские измерения по телекоммуникационным сигнальным линиям связи между наземной базовой станцией или станциями SBS и спутником.

По меньшей мере один из спутников SAT1, SAT2 и SAT3 содержит микродвигательную установку - в данном случае в показанном на фиг. 1 варианте осуществления каждый из спутников SAT1, SAT2 и SAT3 содержит микродвигательный модуль МР1, МР2 и МР3.

Наземная базовая станция SBS содержит модуль для определения географического положения DLG. Метод определения местоположения на Земле осуществляется с возвратом на Землю различных датированных результатов измерений, выполняемых различными спутниками.

Как вариант, модуль для определения географического положения DLG может быть установлен на борту спутника.

Кроме того, модули датирования DAT1, DAT2, DAT3 могут, например, быть выполнены путем реализации идеи Европейского патента ЕР 1 813 957 В1 и, следовательно, не зависят от использования приемников GPS.

При этом в модуле датирования DAT1, DAT2, DAT3 спутника используется устройство относительных измерений. При этом может использоваться способ двусторонних межспутниковых измерений псевдорасстояний, из результатов которых он извлекает межспутниковый временной сдвиг, позволяющий осуществлять относительное датирование результатов измерений главного интерферометра с высокой точностью. Измерительное устройство может также оценивать направления передачи сигналов, передаваемых другими спутниками.

Точность определения местоположения в такой системе улучшена по сравнению с известными системами, в которых реализованы приемники GPS, поскольку относительная точность позиционирования спутников может быть снижена до величины менее сантиметра, а временная синхронизация составляет менее трех наносекунд в реальном времени даже в том случае, когда спутники осуществляют маневрирование.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует другой вариант осуществления системы определения географического местоположения, в которой множество спутников SATP, SATS1 и SATS2 - всегда в количестве трех - неограничительным образом включает в себя главный спутник SATP и по меньшей мере один вспомогательный спутник - в данном случае два вспомогательных спутника SATS1 и SATS2. Главный спутник SATP выполнен с возможностью получения набора принимаемых сигналов, относительных положений и датирований, передаваемых множеством спутников SATP, SATS1, SATS2, и передачи их на наземную базовую станцию SBS. Обработка данных может выполняться на борту главного спутника SATP или на наземной базовой станции SBS, в частности обнаружение, сопровождение и определение местоположения первого уровня. Кроме того, модуль для определения географического положения DLG передатчика ES может быть установлен на главном спутнике SATP.

Как вариант, модуль для определения географического положения DLG передатчика ES может быть установлен на наземной базовой станции SBS.

Три спутника - главный спутник SATP и вспомогательные спутники SATS1 и SATS2 - оснащены, соответственно, приемными антеннами ANTP, ANTS1 и ANTS2 и выполнены с возможностью приема сигналов, передаваемых передатчиком ES. Как вариант, система определения географического положения может содержать любое число спутников, большее или равное двум.

Система содержит главное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере одну антенну ANT1_P, ANT1_S1, ANT1_S2 для каждого спутника SATP, SATS1, SATS2.

Система также содержит устройство межспутниковых относительных измерений для определения относительных положений упомянутых спутников SATP, SATS1 и SATS2 относительно друг друга, содержащее по меньшей мере один специализированный датчик - в этом случае специализированный датчик CAPTd_P, CAPTd_S1 и CAPTd_S2 для каждого спутника SATP, SATS1 и SATS2 - и модули межспутниковой связи COMMP, COMMS1 и COMMS2.

Система дополнительно содержит устройство для датирования DATP, DATS1 и DATS2 принимаемых сигналов на основе определения относительных положений спутников SATP, SATS1 и SATS2 относительно друг друга, выдаваемых упомянутым устройством межспутниковых относительных измерений - в этом случае FFRF. Устройство датирования показанного на фиг. 2 примера осуществления содержит три модуля датирования DATP, DATS1 и DATS2, устанавливаемых соответственно на спутниках SATP, SATS1 и SATS2. Благодаря этому датирование результатов измерений может быть синхронизировано между спутниками.

Система также содержит вспомогательное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере один набор по меньшей мере трех антенн ANT21_S1, ANT22_S1, ANT23_S1 спутника - в данном случае вспомогательного спутника SATS1, наземную базовую станцию SBS и модуль для определения абсолютного положения DPA по меньшей мере одного из спутников - в данном случае вспомогательного спутника SATS2. Предпочтительный спутник - в данном случае вспомогательный спутник SATS2 - подает эталонное время через вспомогательное устройство интерферометрии.

Модуль для определения абсолютного положения DPA первого спутника SAT1 содержит, как показано в данном примере по меньшей мере один наземный передатчик ЕС с известным местоположением.

Как вариант, модуль для определения абсолютного положения DPA по меньшей мере одного спутника может содержать приемник спутниковой системы позиционирования.

Модуль для определения географического положения DLG может быть установлен на борту спутника - в данном случае главного спутника SATP.

Как вариант, наземная базовая станция SBS может содержать модуль для определения географического положения DLG.

Устройство датирования показанного на фиг. 2 примера осуществления содержит три модуля датирования DATP, DATS1 и DATS2, устанавливаемых соответственно на главном спутнике SATP и второстепенных спутниках SATS1 и SATS2.

Как вариант, в наземной базовой станции SBS может быть размещен один модуль датирования, заменяющий три модуля датирования DATP, DATS1 и DATS2.

По меньшей мере один из спутников - главного спутника SATP и вспомогательных спутников SATS1 и SATS2 - содержит микродвигательную установку, в данном случае в показанном на фиг. 2 варианте осуществления каждый из спутников - главного спутника SATP и вспомогательных спутников SATS1 и SATS2 - содержит микродвигательный модуль MPP, MPS1 и MPS2.

Изобретение относится к системам определения географического местоположения. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения. Заявленная система определения географического местоположения по меньшей мере одного передатчика радиосигналов (ES), расположенного на поверхности Земли, содержит: набор спутников (SAT1, SAT2, SAT3), оснащенных приемными антеннами (ANT1, ANT2, ANT3), выполненными с возможностью приема упомянутых сигналов и образующих главное устройство расширенной интерферометрии; устройство межспутниковых относительных измерений для определения относительных положений упомянутых спутников (SAT1, SAT2, SAT3) относительно друг друга, включающее в себя по меньшей мере один специализированный датчик (CAPTd_1, CAPTd_2 и CAPTd_3) для каждого спутника (SAT1, SAT2, SAT3) и средство межспутниковой связи (СОММ1, COMM2 и СОММ3); устройство для датирования (DAT1, DAT2, DAT3) упомянутых принимаемых сигналов по результатам упомянутого определения относительных положений упомянутых спутников (SAT1, SAT2, SAT3) относительно друг друга, выдаваемых упомянутым устройством межспутниковых относительных измерений; вспомогательное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере один набор по меньшей мере из трех антенн (ANT21_3, ANT22_3, ANT23_3) спутника, наземную базовую станцию (SBS), устройство для передачи полученных на спутниках результатов измерений на наземную базовую станцию (SBS) и средство для определения абсолютного положения (DPA) по меньшей мере одного из спутников (SAT1, SAT2, SAT3). 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система определения географического местоположения по меньшей мере одного передатчика радиосигналов (ES), расположенного на поверхности Земли, содержащая:
- набор спутников (SAT1, SAT2, SAT3), оснащенных приемными антеннами (ANT1, ANT2, ANT3), выполненными с возможностью приема упомянутых сигналов, образующих главное устройство расширенной интерферометрии,
- устройство межспутниковых относительных измерений для определения относительных положений упомянутых спутников (SAT1, SAT2, SAT3) относительно друг друга, включающее в себя по меньшей мере один специализированный датчик (CAPTd_1, CAPTd_2 и CAPTd_3) для каждого спутника (SAT1, SAT2, SAT3) и средство межспутниковой связи (COMM1, COMM2 и СОММ3),
- устройство для датирования (DAT1, DAT2, DAT3) упомянутых принимаемых сигналов по результатам упомянутого определения относительных положений упомянутых спутников (SAT1, SAT2, SAT3) относительно друг друга, выдаваемых упомянутым устройством межспутниковых относительных измерений, из измерений псевдорасстояний посредством корреляции PRN-кода и посредством синхронизации часов спутников посредством передачи значений времени между спутниками,
- вспомогательное устройство интерферометрии, содержащее по меньшей мере один набор по меньшей мере из трех антенн (ANT21_3, ANT22_3, ANT23_3) спутника,
- наземную базовую станцию (SBS),
- устройство для передачи полученных на спутниках результатов измерений на наземную базовую станцию (SBS) и
- средство для определения абсолютного положения (DPA) по меньшей мере одного из спутников (SAT1, SAT2, SAT3),
причем упомянутый набор спутников включает в себя главный спутник (SATP) и по меньшей мере один вспомогательный спутник (SATS1, SATS2), причем упомянутый главный спутник (SATP) включает в себя упомянутое передающее устройство, содержащее одиночную антенну (ANT1_P), и выполнен с возможностью получения набора упомянутых принимаемых сигналов, упомянутых относительных положений и упомянутых датирований (DATP, DATS1, DATS2), передаваемых упомянутым набором спутников, и передачи их на упомянутую наземную базовую станцию (SBS), и средство определения географического положения (DLG) упомянутого передатчика (ES), размещаемого на упомянутом главном спутнике (SATP),
причем вспомогательное устройство интерферометрии выполнено с возможностью обеспечения приблизительного определения географического положения упомянутого передатчика (ES), выполненного с возможностью задания начальных условий для точного определения географического положения упомянутого передатчика (ES) с помощью главного устройства расширенной интерферометрии.

2. Система по п. 1, в которой упомянутое средство определения абсолютного положения (DPA) по меньшей мере одного из спутников, включает в себя по меньшей мере один наземный передатчик (ЕС) с известным местоположением.

3. Система по п. 1, в которой упомянутое средство определения абсолютного положения (DPA) по меньшей мере одного из спутников включает в себя приемник спутниковой системы позиционирования.

4. Система по п. 1, в которой устройство для передачи полученных на спутниках результатов измерений на наземную базовую станцию (SBS) включает в себя набор по меньшей мере из одной антенны (ANT1_1, ANT1_2, ANT1_3), размещаемой на упомянутых спутниках таким образом, что спутник (SAT1, SAT2, SAT3) содержит не более одной из них.

5. Система по п. 1, содержащая средство определения географического положения (DLG) упомянутого передатчика (ES), размещаемого на упомянутой наземной станции (SBS).

6. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один из упомянутых спутников содержит микродвигательную установку (MPi).

7. Система по п. 1, в которой упомянутые приемные антенны (ANT1, ANT2, ANT3) выполнены с возможностью приема РЧ-сигналов.

8. Система по п. 1, в которой упомянутое устройство межспутниковых относительных измерений включает в себя радиочастотное устройство формации спутников.

9. Система по п. 8, в которой упомянутое устройство межспутниковых относительных измерений дополнительно содержит оптическое измерительное устройство.