Система контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы, например, системы ГЛОНАСС, с использованием межспутниковых измерений Российский патент 2024 года по МПК G01S5/14 

Изобретение относится к области спутниковой навигации.

В качестве ближайшего аналога изобретения выбран способ и устройство контроля целостности спутниковой навигационной системы из патента на изобретение RU 2559648, публикация 2015 г., АО «Российские космические системы», в которой каждый навигационный космический аппарат определяет достоверность собственного излучаемого навигационного сигнала путем расчета и оценивания значений величин смещения положения определяющихся космических аппаратов от их оценочного положения на орбите по отношению к другим космическим аппаратам системы. Если величины смещения положения космических аппаратов от их оценочного положения на орбите по результатам измерений по нескольким выбранным опорным космическим аппаратам системы, находящимся в зоне видимости, превышают заданный допуск, данный космический аппарат излучает недостоверный сигнал и записывает признак недостоверности в свой навигационный кадр.

Выявлены следующие недостатки предложенных в RU 2559648 средств контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС):

необходимость дополнительного решения проблемы электромагнитной совместимости излучаемых и принимаемых навигационных сигналов на борту космического аппарата, так как навигационные сигналы излучаются на одной или близких частотах в одном частотном диапазоне;

недостоверность определения положения навигационного космического аппарата (НКА) на орбите в случае приема недостоверного сигнала от другого космического аппарата;

неоднозначность определения положения НКА, излучающего недостоверный сигнал в случае одновременного отказа двух НКА;

для системы ГЛОНАСС необходимо дополнительное расширение диаграммы направленности НКА для одновременного непрерывного наблюдения не менее трех других НКА.

Решение вышеперечисленных технических проблем позволит повысить уровень контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы, например, системы ГЛОНАСС, что обеспечит оперативность, достоверность, автономность контроля целостности спутниковой системы без задействования наземных средств.

Предложена система контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы с использованием межспутниковых измерений, например, ГЛОНАСС, в которой решение о достоверности / недостоверности излучаемой навигационной информации принимается непосредственно на борту каждого навигационного космического аппарата в соответствии с алгоритмом, одинаковым для всех навигационных космических аппаратов системы HKA₁, НКА₂, … HKA_m и для выбранного HKA_i. В отличие от аналога, каждый космический аппарат глобальной навигационной спутниковой системы оснащен бортовой аппаратурой межспутниковых измерений (см., например, патент RU 2504079), обеспечивающей измерение расстояний и передачу эфемеридно-временной информации между всеми космическими аппаратами глобальной навигационной спутниковой системы. Бортовой аппаратурой межспутниковых измерений (БАМИ) оснащаются все новые навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС, в свою очередь в RU 2559648 предполагается установка дополнительной бортовой аппаратуры для приема сигнала и его обработки.

Решение о достоверности / недостоверности передаваемой навигационной информации принимается в соответствии с алгоритмом, который может быть использован, как в навигационной системе ГЛОНАСС, так и в любой другой (GPS, Бейдоу, Galileo) глобальной навигационной спутниковой системе:

шаг 1 - передача информационно-измерительного сигнала (радичастотного сигнала или оптического сигнала) бортовой аппаратурой межспутниковых измерений навигационными космическими аппаратами HKA₁, НКА₂, … HKA_m глобальной навигационной спутниковой системы, где m - количество навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы;

шаг 2 - прием HKA_i информационно-измерительного сигнала бортовой аппаратуры межспутниковых измерений навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы, в зоне видимости которых находится HKA_i;

шаг 3 - вычисление БЦВМ HKA_i расстояний R_измj до видимых навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы по измеренному времени задержки распространения принятых от них информационно-измерительных сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений:

- количество видимых навигационных космических аппаратов, n < m;

- время задержки распространения информационно-измерительного сигнала от HKA_j, с; с - скорость света, м/с;

- сдвиг шкалы времени относительно шкалы времени системы ГНСС, извлекается из информационно-измерительных сигналов, с;

шаг 4 - расчет БЦВМ расстояний до видимых навигационных космических аппаратов по собственным эфемеридам HKA_i и эфемеридам, извлеченным из принятых от видимых навигационных космических аппаратов информационно-измерительных сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений:

x_i,y_i,z_i - эфемериды HKA_i;

x_j,y_j,z_j - эфемериды HKA_j;

шаг 5 - вычисление БЦВМ модулей разности между измеренными и рассчитанными значениями расстояний от навигационного космического аппарата до видимых навигационных космических аппаратов

шаг 6 - сравнение БЦВМ HKA_i модулей разности с пороговым значением для принятия решения о достоверности или недостоверности излучаемой навигационной информации HKA_i по мажоритарному методу;

шаг 7 - принятие бортовым комплексом управления решения о достоверности / недостоверности навигационной информации, излучаемой навигационным космическим аппаратов

навигационная информация достоверна - переход к выполнению алгоритма с шага 1,

навигационная информация недостоверна - выставление признака неисправности в излучаемый HKA_i навигационный сигнал, получив который навигационная аппаратура потребителей не будет использовать навигационную информацию для определения своего местоположения.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - схема расположения на орбитах навигационных космических аппаратов системы ГЛОНАСС;

фиг. 2 - блок-схема алгоритма принятия решения о достоверности / недостоверности передаваемой навигационной информации (шаги 1 - 7).

Для контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы и принятия решения о достоверности / недостоверности передаваемой навигационной информации предложено использовать бортовую аппаратуру межспутниковых измерений, устанавливаемую на всех космических аппаратах глобальной навигационной спутниковой системы. Бортовая аппаратура межспутниковых измерений определяет расстояния между всеми видимыми космическими аппаратами HKA₁, НКА₂, … HKA_m (шаг 1, шаг 2, шаг 3). Расстояния непрерывно сравниваются с расчетными значениями, вычисленными по эфемерид ной информации спутников HKA₁, НКА₂, … HKA_m (шаг 4, шаг 5, шаг 6). Необходимые вычисления выполняются бортовых цифровых вычислительных машинах HKA₁, НКА₂, … HKA_m.

Бортовой комплекс управления космического аппарата принимает решение о достоверности / недостоверности навигационной информации, излучаемой навигационным космическим аппаратов по мажоритарному методу защиты от ошибок, с продолжением измерений и вычислений при достоверности информации и выставлении признака неисправности в излучаемый навигационный сигнал при ее недостоверности (шаг 7).

Например, при нахождении в зоне видимости трех навигационных космических аппаратов принятие решения о достоверности или недостоверности излучаемой навигационной информации НКА; будет выглядеть следующим образом:

Проблема электромагнитной совместимости излучаемых и принимаемых навигационных сигналов на борту космического аппарата, так как навигационные сигналы излучаются на одной или близких частотах в одном частотном диапазоне преодолевается за счет того, что бортовая аппаратуры межспутниковых измерений, информация которой используется в предлагаемой системе контроля целостности, работает в частотном диапазоне отличном от диапазона частот излучаемых навигационных сигналов. Также, бортовая аппаратура межспутниковых измерений работает в направлении НКА - НКА, а навигационный сигнал излучается в направлении НКА - Земля.

За счет того, что предлагаемая система контроля целостности не использует навигационные сигналы других НКА, а использует информационно-измерительные сигналы бортовой аппаратуры межспутниковых измерений исключается недостоверность определения положения космического аппарата на орбите в случае приема недостоверного сигнала от другого космического аппарата. Также, так как для работы, предлагаемой система контроля целостности не требуется определение положения НКА; по навигационным сигналам других НКА исключается неоднозначность определения положения космического аппарата, излучающего недостоверный сигнал в случае одновременного отказа двух космических аппаратов.

В результате, контроль целостности посредством предлагаемой системы контроля целостности осуществляется автономно на борту HKA_i, но без задействования средств наземного комплекса управления, что обеспечивает минимальное время от момента обнаружения нарушения целостности до выставления признака неисправности радионавигационного сигнала HKA_i в состав его цифровой информации. Проведение именно бортовой аппаратурой межспутниковых измерений таких измерений в безвоздушном пространстве исключает погрешности, вносимые атмосферой Земли. Использование для контроля целостности информационно-измерительных сигналов сразу нескольких НКА значительно повышает достоверность определения нарушения целостности глобальной навигационной спутниковой системы.

Изобретение относится к области спутниковой навигации. Техническим результатом является повышение уровня контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), что обеспечивает оперативность, достоверность, автономность контроля целостности спутниковой системы без задействования наземных средств. Упомянутый технический результат достигается тем, что в системе контроля целостности ГНСС с использованием межспутниковых измерений каждый космический аппарат оснащен бортовой аппаратурой межспутниковых измерений, обеспечивающей измерение расстояний и передачу эфемеридно-временной информации между всеми спутниками ГНСС, и решение о достоверности / недостоверности излучаемой навигационной информации принимается в соответствии с результатами расчета бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) модулей разности между измеренными и рассчитанными значениями расстояний ΔR_j от навигационного космического аппарата HKA_i до видимых навигационных космических аппаратов ΔR_j=| R_измj - R_рacчj | и сравнения модулей разности ΔR_j с пороговым значением ΔR_порог для принятия решения о достоверности или недостоверности излучаемой навигационной информации по мажоритарному методу. 2 ил.

Система контроля целостности глобальной навигационной спутниковой системы с использованием межспутниковых измерений, в которой решение о достоверности / недостоверности излучаемой навигационной информации принимается непосредственно на борту каждого навигационного космического аппарата в соответствии с алгоритмом, одинаковым для всех навигационных космических аппаратов системы HKA₁, НКА₂, … HKA_m и для выбранного HKA_i, характеризующаяся тем, что

каждый космический аппарат глобальной навигационной спутниковой системы оснащен бортовой аппаратурой межспутниковых измерений, обеспечивающей измерение расстояний и передачу эфемеридно-временной информации между всеми космическими аппаратами глобальной навигационной спутниковой системы, при этом

решение о достоверности / недостоверности передаваемой навигационной информации принимается в соответствии с алгоритмом:

шаг 1 - передача информационно-измерительного сигнала бортовой аппаратурой межспутниковых измерений навигационными космическими аппаратами HKA₁, НКА₂, … HKA_m глобальной навигационной спутниковой системы, где m - количество навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы;

шаг 2 - прием HKA_i информационно-измерительного сигнала бортовой аппаратуры межспутниковых измерений навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы, в зоне видимости которых находится HKA_i;

шаг 3 - вычисление БЦВМ HKA_i расстояний R_измj до видимых навигационных космических аппаратов глобальной навигационной спутниковой системы по измеренному времени задержки распространения принятых от них информационно-измерительных сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений:

где

n - количество видимых навигационных космических аппаратов, n < m;

- время задержки распространения информационно-измерительного сигнала от HKA_j, с;

с - скорость света, м/с;

- сдвиг шкалы времени HKA_j относительно шкалы времени системы ГНСС, извлекается из информационно-измерительных сигналов, с;

шаг 4 - расчет БЦВМ HKA_i расстояний R_pacчj до видимых навигационных космических аппаратов по собственным эфемеридам HKA_i и эфемеридам, извлеченным из принятых от видимых навигационных космических аппаратов информационно-измерительных сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений:

x_i, y_i, z_i - эфемериды НКА_i;

x_j, y_j, z_j - эфемериды HKA_j;

шаг 5 - вычисление БЦВМ модулей разности между измеренными и рассчитанными значениями расстояний ΔR_j от навигационного космического аппарата HKA_i до видимых навигационных космических аппаратов

шаг 6 - сравнение БЦВМ НКА_i модулей разности ΔR_j с пороговым значением ΔR_порог для принятия решения о достоверности или недостоверности излучаемой навигационной информации HKA_i по мажоритарному методу;

шаг 7 - принятие бортовым комплексом управления решения о достоверности / недостоверности навигационной информации, излучаемой навигационным космическим аппаратов HKA_i:

навигационная информация достоверна - переход к выполнению алгоритма с шага 1,

навигационная информация недостоверна - выставление признака неисправности в излучаемый HKA_i навигационный сигнал, получив который навигационная аппаратура потребителей не будет использовать навигационную информацию НКА_i для определения своего местоположения.