Способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы Российский патент 2024 года по МПК G01S1/24 G01S19/01 G01C21/16 

Изобретение относится к области радионавигации, позволяющей осуществить способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы, обеспечивающий высокоточное позиционирование объектов.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) такие, как ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

- полное покрытие земли и околоземного пространства;

- бесплатное использование систем;

- унификация оборудования для всех пользователей и т.д. Но ГНСС имеют и ряд существенных недостатков:

- плохой прием сигналов в лесистых и горных местностях, в условиях городской застройки;

- недостаточная помехоустойчивость - локальные помехи небольшой мощности могут затруднить или сделать невозможным навигацию по сигналам ГНСС.

Инерциальные системы (ИНС) самостоятельно не могут решить проблему навигации в этих условиях, так как им необходима постоянная коррекция с использованием ГНСС.

Локальные системы навигации (ЛСН) дополняют системы ГНСС в случаях невозможности использования последних из-за мощных поставленных помех или отсутствия сигнала ГНСС в точке приема.

Из уровня техники известна наземная импульсно-фазовая радионавигационная система (ИФРНС) «Чайка» (Loran) [1]. Система работает на сверхдлинных волнах, включает в себя мощные передатчики (КВт) и работает на расстояниях более тысячи км. Недостатком системы является низкая точность позиционирования (десятки метров).

Известна локальная радионавигационная система «Крабик» [2]. В системе используется дальномерный, разностно-дальномерный и комбинированный метод позиционирования. Используется фазовый метод измерения псевдодальности, позволяющий выполнить точные измерения на основании измерения фазы несущей частоты.

Недостатками РНС «Крабик» являются:

- низкая устойчивость к маскирующим помехам, так как фаза сигнала в высокой степени подвержена воздействию таких помех.

- низкая устойчивость к имитационным помехам, так как в системе не предусмотрено изменение кода сигнала в процессе работы, при этом имеется высокая вероятность имитации известного кода сигнала.

- возможность любого несанкционированного пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации;

Известна, также, локальная радионавигационная, система компании ООО «ВедаПроект», представляющая собой наземное дополнение к системе ГЛОНАСС на основе псевдоспутников (ПС) [3]. Локальная радионавигационная система (ЛРНС) предназначена для обеспечения высокоточной навигации в условиях затруднения приема сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС. В системе может использоваться стандартный навигационный приемник ГНСС, с минимальными программными модификациями, но с внешним конвертором, позволяющим менять диапазон используемых несущих частот. Недостатками ЛРНС компании ООО «ВедаПроект» являются:

- низкая электромагнитная совместимость со стандартным оборудованием ГНСС

- низкая устойчивость к имитационным помехам, так как в системе используются известные коды сигналов ГНСС, при этом имеется высокая вероятность имитации известного кода сигнала.

- возможность любого несанкционированного пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации;

Известна локальная система навигации, описанная в патенте 2555860 (RU) [5].

Навигационная система, описанная в данном патенте, состоит из нескольких передатчиков, передающих радионавигационные сигналы, с помощью которых навигационный приемник, способный обрабатывать эти сигналы, в состоянии осуществить навигацию - определить свои координаты и, по возможности, другие свои характеристики, например, скорость, вектор движения и т.д. Навигационная система может содержать подсистему управления, необходимую для управления работой передатчиков и/или для взаимодействия с навигационными приемниками. Местоположение может использоваться в навигационном приемнике или пересылаться им в подсистему управления, или подсистема управления может получать его от системы связи.

Недостатками предложенной системы являются следующие моменты:

- способ синхронизации передатчиков отдельно не приводится, это значит, что для синхронизации передатчиков используется такой же метод, как в системе Locata на основе измерения фазы несущей, которая подвержена воздействию помех в первую очередь;

- не приводится способ обеспечения высокоточной навигации.

Наиболее близким аналогом описываемого изобретения в настоящем патенте является локальная система навигации LocataNe [4]. Навигационная система Locata представляет собой наземную сеть передатчиков, которые передают в эфир навигационные радиосигналы, в целом очень похожие на принципы работы радиосигналов спутниковых навигационных систем. Навигационный приемник, способный принимать и обрабатывать сигналы передатчиков системы Locata, способен самостоятельно осуществлять навигацию, в целом очень похожую на навигацию (позиционирование) по радиосигналам спутниковых навигационных систем.

Отличительной особенностью системы Locata от аналогичных систем спутниковой навигации является временное разделение каналов (временное разделение радиосигналов передатчиков); изменение в процессе работы временного расположения сигнала передатчика; отличающаяся информация навигационного сообщения в каждом передатчике; произвольные допустимые рабочие частоты подсетей; отличающаяся система синхронизации передатчиков подсети и групп подсетей.

Недостатками системы Locata являются:

- возможность любого (несанкционированного, неавторизованного) пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации;

- отсутствие взаимодействия (помимо сигналов передатчиков) между навигационной системой и навигационными приемниками, в частности, затрудняющее изменение сигналов передатчиков в процессе ее работы и изменения структуры и режима работы навигационной системы;

- точность позиционирования и синхронизации в системе Locata обеспечивается точным измерением фазы несущей в системе. Но фаза несущей прежде всего сбивается под действием помех;

- низкая помехоустойчивость, так всем известен сигнал, используемый в системе.

Сущность изобретения

Цель изобретения, описанного в настоящем патенте, является создание способа, реализующего точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы с отсутствием указанных недостатков наиболее близкого аналога, характеризующейся следующими критериями:

- для выполнения синхронизации опорных станций в разностно-дальномерном методе используется помехоустойчивый навигационный сигнал;

- обеспечивает повышенную точность позиционирования и синхронизации с использованием помехоустойчивого оригинального метода корреляционной обработки кода сигнала,

- обеспечивает устойчивость к сгенерированным имитационным помехам (100%) сигналам синхронизации с использованием большого числа псевдослучайных последовательностей (ПСП), динамически меняющихся по сложному закону, вплоть до криптования.

- обеспечивает устойчивость к ретранслированным имитационным помехам с использованием методов борьбы с переотраженными сигналами;

- обеспечивает устойчивость к маскирующим помехам с использованием шумопододобных сигналов, уровень которых превышает уровень сигналов ГНСС на входе приемника в 10 000 раз и может быть меньше уровня помехи в √B раз, где В=1024 - база сигнала.

- Техническое описание изобретения

- Техническим результатом заявляемого изобретения является способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы, обеспечивающий высокоточное позиционирование в беззапросном режиме движущихся объектов в условиях отсутствия сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, использующей для синхронизации опорных станций дальномерный метод и оригинальный способ корреляционной обработки не фазы несущей частоты, а динамически изменяемого кода навигационного сигнала, отличающегося высокой устойчивостью к маскирующим и имитационным помехам.

Пример структуры радионавигационной локальной системы навигации в беззапросном режиме приведен на Фиг 1.

Радионавигационная система представляет собой локальную систему навигации, состоящую из сети приемо-передатчиков, входящих в состав радионавигационных опорных станций РОС 1,2,3,4, приемо-передатчиков, входящих в состав абонентских терминалов (AT) 5 и аппаратно-программного комплекса (АПК) 6, как показано на Фиг. 1.

Синхронизация сети опорных станций требуется для реализации беззапросного режима работы системы. Одна из станций - ведущая 4 участвует в синхронизации ведомых станций 1, 2, 3. Для синхронизации используется навигационный сигнал (синхр) с изменяемыми ПСП, задаваемый генератором ведущей опорной станции, выдаваемый на все опорные станции в сети. Для получения такого сигнала в режиме синхронизации требуется запрос от ведомых станций.

Достоинство беззапросного режима:

- практически неограниченное число абонентов в сети. Для реализации беззапросного режима используется разностно-дальномерный метод позиционирования, для которого требуется точная синхронизация опорных станций.

Разностно-дальномерный метод [6] требует наличия двух пар опорных станций 1, 3 и 2, 4. Каждая пара станций используется для получения линий положения в виде гипербол с фокусами в местах расположения опорных станций, как показано на Фиг. 2.

Эти линии - геометрические места точек с постоянной разностью расстояний, определяемых временем запаздывания сигналов от разных опорных станций: R1, R2, R3, R4 - расстояния от AT до РОС.

Гиперболы определяются равенствами: R1-R3=const; R1-R2=const; R1-R3=const, где const - изменяемый параметр.

Точка пересечения гипербол совпадает с местом нахождения абонентского терминала 5.

Обеспечение высокой точности и помехоустойчивости синхронизации в сети опорных станций

Для синхронизации РОС предлагается использовать далъномерный метод измерения псевдодальности между ведущей и ведомыми РОС.

Достоинство метода - для синхронизации сети РОС используется помехоустойчивый защищенный шумоподобный синхросигнал.

Синхронизация происходит путем вычисления разницы хода часов одной опорной станции от другой при известном расстоянии между ними. Сами генераторы (со стабильностью порядка 10^-12) не требуют физической синхронизации и работают независимо.

Каждая опорная станция содержит приемники и передатчик. Причем и приемник и передатчик на одной станции используют один и тот же опорный генератор часов, то есть разницы хода часов на приемно-передающих устройствах одной станции идентичны. Ведомая станция j излучает навигационный сигнал, а ведущая станция i принимает этот сигнал и отвечает ведомой. Ведомая станция вычисляет псевдодальность до ведущей станции дальномерным методом и вычисляет поправку для своего опорного генератора, так как расстояние до фазового центра антенны ведущей станции известно с точностью до сантиметра.

Точное расположение фазовых центров антенн опорных станций могут быть определены стандартными геодезическими методами с учетом фазовых характеристик антенн, ориентации и их сдвигов относительно измеренного геодезического пункта.

Измеряемой величиной является псевдодальность - расстояние между фазовыми центрами передающей и приемной антенн, получаемое при умножении значения скорости распространения радиосигнала на измеренную временную задержку в распространении сигнала по показаниям часов передатчика и приемника соответственно. Кроме геометрического расстояния псевдодальность включает в себя разницу хода часов приемной и передающей станций, тропосферную задержку из-за рефракции, шумовую составляющую и канальные задержки приемно-передающих устройств.

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве относится к числу так называемых мировых констант и равна c₀=299792458 м/с. В атмосфере скорость распространения радиоволн несколько уменьшается: . [9] Для тропосферы принимают ε=1,000676, при этом с меньше c₀ примерно на 100 км/с, причем относительная нестабильность скорости распространения радиоволн составляет 10^-4…10^-5.

Выпишем уравнения псевдодальностей для каждой i-ой передающей станции и j-ой принимающей станции сети в прямоугольной декартовой системе координат (без разницы, геоцентрической или топоцентрической):

где

d_ij - псевдодальность, как разница времен приема j-ой станции РОС по часам приемника и передачи сигнала i-ой станции РОС по часам передатчика соответственно, умноженная на скорость распространения сигнала с, заметим d_ij≠d_ji;

K_ij - коэффициент тропосферной задержки, зависящий от атмосферных условий, абсолютной высоте и разности высот между станциями¹, заметим K_ij=K_ji;

x_i, y_i, z_i, τ_i - позиция фазового центра антенны i-ой передающей станции и ее разница хода часов по отношению ко времени синхронизированной системы станций (приведена к единицам длины умножением на скорость распространения сигнала с);

x_j, y_j, z_j, τ_j - позиция фазового центра антенны j-ой принимающей станции и ее разница хода часов по отношению ко времени синхронизированной системы станций (приведена к единицам длины умножением на скорость распространения сигнала с);

η - суммарные канальные задержки приемно-передающих каналов, предполагаются одинаковыми для всех станций, приведены к единицам длины умножением на скорость распространения сигнала с.

Рассмотрим пару станций: i-ая ведущая и j-ая ведомая. На ведущей известна задержка τ_i. синхросигнала. Тогда имеем пару уравнений: для передачи от станции i до станции j и обратно

Вычитая второе уравнение из первого, получим:

Окончательно имеем:

Это - поправка на значения генератора ведомой станции относительно ведущей (эталонной) станции.

Используя полученное уравнение, возможно синхронизировать всю сеть начиная от основной ведущей станции, где разница хода часов принимается за 0.

Достоинство метода - для синхронизации сети РОС используется помехоустойчивый защищенный шумоподобный синхросигнал.

Расчет инструментальной ошибки измерения псевдодальности и синхронизации опорных станций в дальномерном методе.

Так как инструментальная ошибка измерения псевдодальности в ЛСН определяется точностью измерения времени задержки сигнала, зависящей от ошибки дискретизации входного сигнала в приемнике во времени, то предлагается следующий оценочный расчет инструментальной ошибки измерения псевдодальности и синхронизации.

Оценочный расчет приведен с численными вычислениями для лучшего восприятия, естественно значения могут быть другими:

где с - скорость света в вакууме (скорость распространения радиоволн) с=299796459,2±1,1 м/с;

Δ_инстр. - инструментальная ошибка измерения псевдодальности при дискретизации входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) приемника с точностью до одного символа псевдослучайной последовательности (ПСП);

f_симв.=1 МГц=; частота символов ПСП.

При измерении псевдодальности в запросном режиме (дальномерном методе) ведомая РОС j излучает сигналы запроса, а ведущая РОС i принимает их и переизлучает как сигналы ответа, которые принимаются ведомой РОС j. Так как скорость распространения радиоволн в воздухе постоянна, то принятые в ответные сигналы ведущей РОС запаздывают по отношению к излученным сигналам на определенное время tз:

где

Rij - известное расстояние между фазовыми центрами ведомой и ведущей РОС (м),

tз обрij+- tз обрji=const - время задержки обработки сигнала при приеме/передаче в POCi и POCj определяется в процессе калибровки.

Сложив, получим

Если инструментальные ошибки измерения при запросе/ответе - Δ_Дзапр/Δ_Дотв

То суммарная ошибка измерения псевдодальности и синхронизации равна:

допустив, что tзaпp=tотв, ΔRотв=ΔRзапр.

Уменьшение инструментальной ошибки измерения псевдодальности и синхронизации опорных станций далъномерным методом производится за 4 шага.

1. Уменьшение инструментальной ошибки путем точного нахождение начала фронта импульса шумоподобного навигационного сигнала, используемого для синхронизации, производится при увеличении частоты дискретизации входного сигнала в АЦП, как показано на Фиг. 3. Модуляция сигнала, используемого в системе - BPSK. Импульс сигнала показывает изменение фазы от 0 до π.

Инструментальная ошибка измерения псевдодальности при дискретизации входного сигнала в АЦП приемника РОС на частоте К1*ƒ_симв. (при типовых числовых данных f_симв.=1 МГц, К1=20) в дальномерном методе равна:

2. Дальнейшее повышение частоты сигнала в АЦП.

Количество отсчетов на каждый символ ПСП увеличивается в К2=10 раз путем сдвига тактирующего сигнала на 1/10 такта на каждой из К2 посылок ПСП. При этом частота работы АЦП, работающего на частое 20 МГц, эффективно повышается в К2 раз до частоты 200 МГц как показано на Фиг 4. При этом инструментальная ошибка измерения псевдодальности в дальномерном методе равна:

3. Функция корреляции (ФК) в приемнике сигнала вычисляется с использованием статистики полученных отсчетов.

График отсчетов ФК в районе пика выглядит как треугольник с основанием К1=20 отсчетов по оси времени. При этом пик ФК представлен не одним отсчетом, а «растянут» на К1 тактов.

Отсчеты ФК следуют частотой К1*ƒсимв. и обозначены точками, которые не лежат на одной прямой из-за ошибок распространения и обработки навигационного сигнала.

Положение пика ФК вычисляется как точка пересечение двух прямых, составляющих треугольник и проведенных оптимально среди 10 отсчетов (слева) +10 отсчетов (справа) с использованием метода наименьших квадратов. При этом получим точку tи, которая определяет более точное положение пика ФК и будет отличаться на величину Δt_фк от значения tи', полученного в случае, когда ФК вычисляется с точностью до отсчета с инструментальной ошибкой измерения псевдодальности с частотой 20 МГц.

При этом с использованием метода наименьших квадратов при вычислении момента пика ФК инструментальная ошибка измерения псевдодальности уменьшается в К3 раз и представляет собой среднеквадратичную ошибку (СКО) с учетом ошибки распространения и обработки навигационного сигнала.

По имеющимся данным статистики К3=3

4. Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) необходимо увеличить число измерений. [7]

Если увеличить число измерений L1 при измерении псевдодальности 25 раз, то есть обрабатывать кадр из 25 ПСП, то СКО будет меньше в √L1=5 раз. Кадр из 25 ПСП необходим, так как в нем содержится адрес абонента и опорной станции, а также, другая необходимая информация.

При этом получаем инструментальную ошибку СКО () при использовании метода наименьших квадратов при измерении псевдодальности с учетом ошибки распространения и обработки навигационного сигнала:

Для К1=20, К2=10, К3=3, √L1=5

(при доверительной вероятности 0,67).

В качестве примера организации синхронизации рассмотрим расчетные значения

При этом получаем инструментальную ошибку (СКО) вычисления псевдодальности в запросном режиме (в дальномерном методе) между опорными станциями м, которая пересчитывается в ошибку синхронизации во времени:

С такой оценкой инструментальной погрешности будет обеспечена синхронизация сети РОС, что сопоставимо с точностью синхронизации передатчиков системы LocataNet (1 нс).

Синхронизация часов должна производится периодически. Частота синхронизации зависит от требуемой точности в измерении расстояний и кратковременной нестабильности генераторов на опорных станциях.

В качестве примера рассмотрим термостабилизированный кварцевый генератор в составе РОС с кратковременной нестабильностью частоты Δf/f=10^-11 за 1 секунду [8]. Примем, что нам нужна точность нс. При кратковременной нестабильности генератора потребуется синхронизация каждые t с.

При нестабильности генератора 10^-12 потребуется синхронизация каждые 400 с.

Обеспечение помехоустойчивости синхронизации опорных станций

Устойчивость сигналов синхронизации к маскирующим помехам. Устойчивость к маскирующим помехам обеспечивается тем, что:

- для синхронизации используется шумоподобный сигнал, уровень которого превышает уровень сигналов ГНСС на входе приемника в 10 000 раз. и может быть меньше уровня помехи в √B раз, где В=1024 - база сигнала;

- решение задачи синхронизации в навигационном приемнике принимается не по фазе несущей, подверженной воздействию помех, а по высокоточному измерению псевдодальности и точной синхронизации на основе кода сигнала, устойчивого к воздействию помех, что обеспечивается согласованной фильтрацией сигнала с точным определением момента пика функции корреляции.

Устойчивость сигналов синхронизации к имитационным помехам.

- устойчивость к генерируемым имитационным помехам (100%) обеспечивается использованием большого количества псевдоортогональных ПСП (более 1000), динамически меняющихся по определенному сложному закону, вплоть до использования криптографических алгоритмов;

- устойчивость к ретранслированным имитационным помехам обеспечивается тем, что они подобны переотраженным сигналам и устраняются методами борьбы с переотражениями.

Так истинным сигналом считается сигнал, пришедший первым.

Литература.

1. Сайт: http://semnan-sea.m/plavanie/687-radionavigatsionnye-sistemy-dlya-opredeleniya-mesta-sudna.html

2. Сайт: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-morskoy-radionavigatsionnoy-sistemy-krabik-dlya-koordinatnogo-obespecheniya-nazemnyh-obektov/viewer

3. Сайт: https://www.slideserve.com/margot/5001638

4. Сайт: https://www.locata.com/

5. Сайт: https://findpatent.ru/patent/255/2555860.html

6. Сайт: https://studopedia.su/8_10216_metodi-i-rezhimi-izmere

7. Сайт: https://www.bookasutp.ru/chapter4_4.aspx

8. Сайт: https://morion.com.ru/files/oscillators/78_file-ru.pdf?1599562600

9. Астафьев Г.П., Шебшаевич B.C., Юрков Ю.А. Радиотехнические средства навигации летательных аппаратов. - М.: Сов. Радио, 1962. - 963 с.

Изобретение относится к области радионавигации. Сущность решения заключается в том, что для обеспечения позиционирования с помощью абонентских терминалов (АТ) принимают навигационные сигналы (НС) радионавигационных опорных станций (РОС) и определяют координаты, направление движения и скорость АТ. Проводят мониторинг, при котором НС от АТ передают на аппаратно-программный комплекс (АПК), управляют работой радионавигационной системы посредством смены псевдослучайных последовательностей (ПСП) в РОС и AT, назначают ведущей одну из РОС, выдают по запросу от ведущей РОС на все ведомые РОС сигнал синхронизации, в качестве которого используют динамически меняющийся шумоподобный НС, определяют период повторения синхронизации при помощи нестабильности используемых на РОС генераторов, измеряют псевдодальности между РОС с известным расстоянием между фазовыми центрами антенн, осуществляют корреляционную обработку НС согласованной фильтрацией шумоподобного НС. При этом для борьбы с помехами превышают уровень шумоподобных сигналов над уровнем сигналов ГНСС в 10 000 раз и уменьшают уровень сигналов относительно помехи на основании величины базы НС. Технический результат заключается в обеспечении помехоустойчивости синхронизации РОС. 4 ил.

Способ помехоустойчивой синхронизации опорных станций локальной навигационной системы, использующий навигационный сигнал, свободный от воздействия ионосферы и погрешности определения эфемерид спутников, независимый от глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в беззапросном режиме, отличающийся тем, что при решении навигационной задачи позиционирования путём разностно-дальномерного метода с помощью приёмопередатчиков абонентских терминалов (АТ) принимают навигационные сигналы радионавигационных опорных станций (РОС) и по разности времени прихода сигналов от опорных станций определяют координаты, направление движения и скорость абонентских терминалов, дополнительно проводят мониторинг, при котором навигационные данные от абонентских терминалов передают на аппаратно-программный комплекс (АПК), управляют работой радионавигационной системы посредством смены псевдослучайных последовательностей (ПСП) в РОС и AT, назначают одну из РОС в качестве ведущей, выдают по запросу от ведущей станции на все остальные ведомые станции РОС сигнал синхронизации, в качестве которого используется динамически меняющийся шумоподобный навигационный сигнал в виде псевдослучайной последовательности из В символов, устойчивый к сгенерированным и ретранслированным имитационным помехам, определяют период повторения процедуры синхронизации при помощи нестабильности используемых на РОС генераторов, проводят измерения псевдодальности между опорными станциями с известным расстоянием между фазовыми центрами антенн, при этом осуществляют корреляционную обработку навигационного сигнала посредством согласованной фильтрации шумоподобного навигационного сигнала с определением пика функции корреляции, при этом для борьбы с маскирующими помехами обеспечивают превышение уровня шумоподобных сигналов над уровнем сигналов ГНСС на входе приемника в 10 000 раз и уменьшение уровня шумоподобных сигналов относительно помехи в √B раз, где B – база сигнала.