Способ определения координат короткоживущего беспилотного летательного аппарата Российский патент 2021 года по МПК G01S19/07 

Изобретение относится к способам дифференциальной коррекции навигационных спутниковых систем и, конкретно, к способу определения истинных координат летательных аппаратов наземного базирования и может быть использовано в пусковых комплексах для предстартовой подготовки короткоживущих беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Для обеспечения наилучшей точности определения истинных координат летательных аппаратов используется метод дифференциальных коррекций [Сетевые спутниковые радионавигационные системы/В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; Под ред. В.С. Шебшаевича. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1993. – 414 с.: ил.; 21 см.; ISBN 5-256-00174-4], [Спутниковые навигационные системы. Учеб.пособие./МАИ каф.604 – Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2004. – 338 с.]. Дифференциальный режим предполагает наличие как минимум двух навигационных приемников: наземная корректирующая станция и летательный аппарат, находящихся в двух точках пространства. При этом наземная корректирующая станция геодезически точно привязана к принятой системе координат. Разности между измеренными и рассчитанными в ней значениями псевдодальностей видимых навигационных спутников по линии передачи данных передаются на летательный аппарат. Эти разности называют дифференциальными поправками. Летательный аппарат, в свою очередь, вычитает полученные усредненные дифференциальные поправки из измеренных псевдодальностей.

Известен способ определения дифференциальных поправок к радионавигационному параметру в спутниковой радионавигационной системе [RU2012012, G01S5/14, опубл. 30.04.1994]. Способ основан на том, что на наземных базовых контрольно-корректирующих станциях, каждая из которых привязана к точке с известными координатами, принимают сигналы навигационных спутников, относительно каждого из которых измеряют псевдодальности, выделяют из принятых сигналов информацию об эфемеридах спутников, рассчитывают по текущим значениям эфемерид и координатам базовых контрольно-корректирующих станций псевдодальности, формируют поправки в виде усредненных разностей между измеренными и расчетными значениями псевдодальностей, приращения поправок псеводальностей и скорость изменения поправок, излучают радиосигналы, содержащие информацию о поправках и их скоростях изменения, на местоопределяющем объекте принимают сигналы с корректирующей станции и используют полученную информацию в зоне корреляции для данной корректирующей станции.

Наиболее часто полученную информацию о дифференциальных поправках используют путем сравнения полученных значений дифференциальных поправок псевдодальности с эталонными значениями дифференциальных поправок псевдодальности. Для повышения точности определения координат летательного аппарата значения дифференциальных поправок псевдодальности, отклоняющиеся от пороговых, не учитывают [RU2653066 (C1), G01S19/07, опубл. 07.05.2018], [RU2393504, G01S19/07, опубл. 23.10.2008].

Недостатком известных способов дифференциальной коррекции псевдодальностей является недостаточная точность определения истинных координат летательного аппарата.

Техническая проблема заключается в повышении эффективности применения короткоживущего БПЛА, использующего глобальные навигационные спутниковые системы.

Технический результат заключается в повышении точности определения истинных координат короткоживущего БПЛА, использующего глобальные навигационные спутниковые системы.

Технический результат достигается тем, что в способе определения координат короткоживущего беспилотного летательного аппарата, использующего глобальные навигационные спутниковые системы, на наземной базовой контрольно-корректирующей станции с заранее точно определенными координатами и летательном аппарате принимают радиосигналы от навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы, относительно каждого из которых измеряют псевдодальности, определяют координаты базовой контрольно-корректирующей станции, истинные дальности базовой контрольно-корректирующей станции до навигационных спутников, по полученным данным определяют дифференциальные поправки к псевдодальностям, выполняют усреднение и приращение дифференциальных поправок к псевдодальностям, определяют истинные координаты летательного аппарата, согласно изобретению, приращения дифференциальных поправок к псевдодальностям фильтруют путем усреднения с использованием метода итерации, после этого определяют дисперсию дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого навигационного спутника, после чего масштабируют дисперсию поправок до целого числа с получением коэффициента дисперсии поправок к псевдодальностям для каждого навигационного спутника, затем от блока вычисления наземной базовой контрольно-корректирующей станции с помощью приемопередающего модуля по проводному каналу связи на приемный модуль навигационного приемника короткоживущего БПЛА до начала его движения передают коэффициенты дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям, после этого с помощью блока вычисления навигационного приемника короткоживущего БПЛА определяют коэффициенты усиления фильтра Калмана, причем ковариационную матрицу вектора измерений на k-ом шаге, состоящую из измеренных псевдодальностей и всепдодопплеровских частот, в части псевдодальностей представляют в виде диагональной матрицы, на главной диагонали которой расположены коэффициенты дисперсий дифференциальных поправок к псевдодальностям.

На наземной базовой контрольно-корректирующей станции (БККС), имеющей заранее точно определенные координаты своей дислокации, с помощью последовательно соединенных антенного модуля и приемо-передающего модуля навигационного приемника принимают радиосигналы от группы радиовидимых навигационных спутников (НС) глобальных навигационных спутниковых систем. Наряду с этим на короткоживущем БПЛА до начала его движения также принимают радиосигналы от тех же НС с помощью последовательно соединенных антенного модуля и приемного модуля навигационного приемника. При этом с помощью блоков вычислителей навигационных приемников БККС и короткоживущего БПЛА радиосигналов измеряют коды псевдодальности от наземной БККС и короткоживущего БПЛА до этих НС.

На основании полученных значений кодов псевдодальностей от БККС до НС с помощью блока вычислителя навигационного приемника БККС определяет свои координаты. Одновременно с этим определяют истинные дальности от БККС до НС, используя заранее известные координаты БККС и координаты НС на орбите, полученные из эфемеридных данных. При этом получают расчетные данные для определения дифференциальных поправок к псевдодальностям.

Дифференциальные поправки к псевдодальностям определяют с помощью блока вычислителя наземной БККС как разницу между измеренными псевдодальностями и истинными дальностями от БККС до НС и получают ряд значений дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого НС. После этого определяют приращение дифференциальных поправок к псевдодальностям:

ΔPR_k = dPR_k – dPR_k-1,

где ΔPR – приращение дифференциальных поправок к псевдодальностям, dPR – дифференциальная поправка к псевдодальности, k – порядковый номер.

При этом определение начинают при k >2.

Затем фильтруют полученные приращения дифференциальных поправок к псевдодальностям путем усреднения с использованием метода итерации:

,

где N – интервал сглаживания, – среднее экспоненциальное значение квадрата разности.

После этого определяют дисперсию дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого НС:

.

После чего масштабируют дисперсию поправок до целого числа и получают коэффициент дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого НС:

,

где PRD – коэффициент дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям.

Полученные на БККС коэффициенты дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого НС по проводному каналу связи передают на приемный модуль навигационного приемника короткоживущего БПЛА до начала его движения. Блок вычислений навигационного приемника короткоживущего БПЛА при определении своих истинных координат использует коэффициенты дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям как весовые коэффициенты участия каждого НС при вычислении коэффициента усиления фильтра Калмана:

,

где P_k – ковариационная матрица предсказанного вектора состояния, – матрица, связывающая вектор измерений и вектор состояния, R_k – ковариационная матрица вектора измерений на k-ом шаге, состоящая из измеренных псевдодальностей и псевдодопплеровских частот.

При этом ковариационную матрицу вектора измерений R_k представляют в части псевдодальностей в виде диагональной матрицы, на главной диагонали которой расположены коэффициенты дисперсий дифференциальных поправок PRD.

Полученные коэффициенты усиления фильтра Калмана используют для определения истинных координат короткоживущего БПЛА с помощью известных из уровня техники способов.

Из уровня техники известно, что точность определения истинных координат летательного аппарата оказывается существенно ниже в том случае, если учитывают дифференциальные поправки к псевдодальностям для всех НС, и наоборот, когда дифференциальные поправки к псевдодальностям от некондиционных НС не учитывают, точность определения истинных координат летательного аппарата оказывается выше. Так, если значение дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям для НС невелико, то и разброс истинных координат летательного аппарата, то есть неточность определения его истинных координат, также будет невелик. И наоборот: если значение дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям для НС велико, то разброс истинных координат летательного аппарата, то есть неточность определения его истинных координат, также будет большим.

Однако если совсем не учитывать НС, для которых характерны большие значения дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям, то это приводит к ухудшению значения позиционного геометрического фактора PDOP, что в конечном итоге также снижает точность определения истинных координат летательного аппарата.

Поэтому, если выявлять НС, для которых характерны наибольшие значения дисперсий дифференциальных поправок к псевдодальностям, и уменьшать их влияние на навигационное решение, то точность определения истинных координат летательного аппарата повышается. Так, если коэффициент дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям PRD∈[1,5], то влияние такого НС в определении истинных координат короткоживущего БПЛА максимально. Если PRD∈[5,10], то влияние такого НС ниже. Если PRD≥10, то влияние такого НС в определении истинных координат короткоживущего БПЛА минимально.

Таким образом, коэффициенты дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям используют как весовой коэффициент участия каждого НС в определении истинных координат короткоживущего БПЛА.

Изобретение относится к способам дифференциальной коррекции навигационных спутниковых систем. Технический результат заключается в повышении точности определения истинных координат короткоживущего БПЛА, использующего глобальные навигационные спутниковые системы. Способ определения координат короткоживущего БПЛА, использующего глобальные навигационные спутниковые системы, характеризуется тем, что после получения приращений дифференциальных поправок к псевдодальностям с использованием известных дифференциальных методов коррекции их фильтруют путем усреднения с использованием метода итерации, после чего масштабируют дисперсию дифференциальных поправок к псевдодальностям до целого числа с получением коэффициента дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого навигационного спутника. Затем эти коэффициенты дисперсии передают от базовой контрольно-корректирующей станции на короткоживущий БПЛА до начала его движения. Полученные коэффициенты дисперсии используют как весовые коэффициенты при определении коэффициентов усиления фильтра Калмана, где ковариационную матрицу вектора измерений в части псевдодальностей представляют в виде диагональной матрицы, на главной диагонали которой расположены такие коэффициенты.

Способ определения координат короткоживущего беспилотного летательного аппарата, использующего глобальные навигационные спутниковые системы, характеризующийся тем, что на наземной базовой контрольно-корректирующей станции с заранее точно определенными координатами и летательном аппарате принимают радиосигналы от навигационных спутников глобальной навигационной спутниковой системы, относительно каждого из которых измеряют псевдодальности, определяют координаты базовой контрольно-корректирующей станции, истинные дальности базовой контрольно-корректирующей станции до навигационных спутников, по полученным данным определяют дифференциальные поправки к псевдодальностям, выполняют усреднение и приращение дифференциальных поправок к псевдодальностям, определяют истинные координаты летательного аппарата, отличающийся тем, что приращения дифференциальных поправок к псевдодальностям фильтруют путем усреднения с использованием метода итерации:

где ∆PR – приращение дифференциальных поправок к псевдодальностям, N – интервал сглаживания, <(∆PR)2> – среднее экспоненциальное значение квадрата разности, k – порядковый номер,

после этого определяют дисперсию дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого навигационного спутника:

после чего масштабируют дисперсию поправок до целого числа с получением коэффициента дисперсии поправок к псевдодальностям для каждого навигационного спутника:

где PRD – коэффициент дисперсии поправок к псевдодальностям,

затем от блока вычисления наземной базовой контрольно-корректирующей станции с помощью приемопередающего модуля по проводному каналу связи на приемный модуль навигационного приемника короткоживущего беспилотного летательного аппарата до начала его движения передают коэффициенты дисперсии дифференциальных поправок к псевдодальностям,

после этого с помощью блока вычисления навигационного приемника короткоживущего беспилотного летательного аппарата определяют коэффициенты усиления фильтра Калмана:

где P_k – ковариационная матрица предсказанного вектора состояния, H – матрица, связывающая вектор измерений и вектор состояния, R_k – ковариационная матрица вектора измерений на k-м шаге, состоящая из измеренных псевдодальностей и псевдодоплеровских частот,

причем R_k в части псевдодальностей представляют в виде диагональной матрицы, на главной диагонали которой расположены коэффициенты дисперсий дифференциальных поправок к псевдодальностям.