Способ навигации с использованием радионавигационных опорных станций и опорная станция для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК G01S1/24 G01C21/00 

Изобретение относится к области радионавигации, позволяет осуществить способ реализации помехоустойчивой радионавигационной системы, обеспечивающей высокоточное позиционирование движущихся 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 невозможной навигацию по сигналам 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 (мощность более 200 кВт) и работает на расстояниях более 1000 км. Недостатком этой системы является низкая точность позиционирования (десятки метров) и отсутствие обеспечения навигации высокоскоростных объектов.

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 сигнала.

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;

- отсутствие обеспечения навигации высокоскоростных объектов.

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 на основе ПС 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.

- отсутствие обеспечения навигации высокоскоростных объектов.

Известна локальная система навигации, описанная в патенте на изобретение №2555860 (RU) [5].

Навигационная система, описанная в этом 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 навигационной системы, описанной в патенте на изобретение №2555860 (RU) являются следующие моменты:

- используются отдельно приемники в абонентских терминалах и передатчики в опорных станциях, то есть реализуется только беззапросный режим, при котором невозможно использование дальномерного метода для синхронизации сети опорных станций;

- так как у абонентов нет передатчиков, то невозможно решить задачу мониторинга без использования внешней системы связи, которая может отсутствовать;

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

- не приводится способ обеспечения высокоточной навигации;

- не приводится способ обеспечения устойчивости к маскирующим и имитационным помехам.

Самым близким аналогом ЛСН, описанном в настоящем изобретении, является известная локальная система навигации LocataNet, обеспечивающая высокоточную навигацию. Навигационная система LocataNet представляет собой наземную сеть передатчиков, которые передают в эфир навигационные радиосигналы, в целом очень похожие на принципы работы радиосигналов спутниковых навигационных систем. Навигационный приемник, способен принимать и обрабатывать сигналы передатчиков системы LocataNet и самостоятельно осуществлять навигацию, в целом очень похожую на навигацию (позиционирование) по радиосигналам спутниковых навигационных систем.

Отличительной особенностью системы LocataNet 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 LocataNet 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 LocataNet обеспечивается точным измерением фазы, несущей в системе. Следует отметить, что фаза несущей, прежде всего, сбивается под действием помех;

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

Сущность изобретения

Сущность изобретения, описанного в настоящем патенте, состоит в создании способа и устройства опорной стации локальной системы навигации с отсутствием указанных выше в описании недостатков наиболее близкого аналога, характеризующейся следующими критериями:

- используется навигационный сигнал, свободный от воздействия ионосферы и погрешности определения эфемерид спутников;

- используются беззапросный режим и разностно-дальномерный метод позиционирования;

- используются запросный режим и дальномерный метод позиционирования

- повышенная точность позиционирования обеспечивается использованием помехоустойчивого оригинального способа корреляционной обработки кода сигнала (далее по тексту описания изобретения - псевдослучайной последовательности (ПСП);

- устойчивость к сгенерированным имитационным помехам (100%) обеспечивается использованием множества ПСП, динамически меняющихся по сложному закону;

- устойчивость к ретранслированным имитационным помехам обеспечивается методами борьбы с переотраженными сигналами;

- устойчивость к маскирующим помехам обеспечивается мощностью сигнала в точке приема в 10000 раз превышающей мощность сигнала ГНСС и использованием шумоподобных сигналов, для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, где В - база сигнала;

- точная синхронизация опорных станций в разностно-дальномерной системе производится с использованием дальномерного метода и помехоустойчивого способа корреляционной обработки кода сигнала;

Техническое описание изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокоточного позиционирования движущихся объектов в условиях отсутствия сигналов глобальных навигационных спутниковых систем путем создания сети радионавигационных опорных станций, работающих в запросном и беззапросном режимах, использующих оригинальный способ корреляционной обработки кода навигационного сигнала, отличающегося высокой устойчивостью к маскирующим и имитационным помехам.

Опорная станция работает в запросном и беззапросном режимах и реализует дальномерный и разностно-дальномерный методы позиционирования.

Использование дальномерного метода позиционирования в опорной станции в локальной системе навигации.

Пример включения опорных станций в дальномерном методе в структуре радионавигационной локальной системы навигации приведен на Фиг. 1.

В запросном режиме в опорных станциях используется дальномерный метод позиционирования, при котором абонентские терминалы излучают дальномерный код, модулирующий несущую. При этом нет необходимости в синхронизации опорных станций. Несколько опорных станций (1, 2, 3, 4) с известными координатами принимают сигнал и посылают ответные сигналы, которые принимаются абонентскими терминалами (5, 6). С учетом скорости света в атмосфере и задержек в аппаратуре при приеме-передаче сигналов в абонентском терминале вычисляется двойное расстояние между абонентским терминалом и несколькими опорными станциями. При этом в абонентском терминале решается навигационная задача. В режиме мониторинга координаты передаются от терминалов на АПК (7)

Дальномерный метод решения навигационной задачи заключается в определении местоположения абонентского терминала (5) измерением расстояний между ним и опорными станциями (1, 2). Каждая поверхность положения - сфера с центром в опорной станции и радиусом, равным дальности. Так как точки 5, 1, 2 находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусами R1 и R2 с точкой пересечения в точке 5, как показано на Фиг. 2. Вторую точку пересечения сфер надо отбросить, исходя из дополнительных данных.

Использование разностно-далъномерного метода позиционирования в опорной станции в локальной системе навигации

В беззапросном режиме используется разностно-дальномерный метод для неограниченного числа абонентских терминалов, которые принимают сигнал и по разности времени прихода сигналов от нескольких опорных станций определяют свои координаты и другие параметры. При этом решение навигационной задачи лежит в точке пересечения линий положения в виде гипербол, фокусы которых находятся в местах расположения опорных станций.

Пример включения опорных станций в разностно-дальномерном методе в локальной системе навигации приведен на Фиг. 3

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 (5, 6) и аппаратно-программного комплекса (АПК) (7).

В системе может решаться: как навигационная задача, когда абонентские терминалы принимают сигналы опорных станций и определяют свои координаты, направление движения и скорость, так и задача мониторинга, когда навигационные данные от абонентских терминалов передаются на аппаратно-программный комплекс (АПК), где собираются данные мониторинга, производится управление работой системы, в том числе, управление сменой ПСП в опорных станциях (1, 2, 3, 4) и абонентских терминалах (5, 6) по сложному закону.

В опорных станциях обеспечивается беззапросный режим и разностно-дальномерный метод позиционирования [6].

Беззапросный режим имеет аналогию с созданием созвездия «псевдоспутников» и предполагает наличие синхронизированной сети опорных станций.

Как показано на Фиг. 3, опорные станции (1, 2, 3, 4). Выдают навигационный сигнал, принимаемые абонентскими терминалами AT (5, 6), которые решают навигационную задачу и определяют свои координаты. Одна из станций - ведущая РОС 4 (4) выдает сигнал синхронизации (синхр.) на ведомые станции РОС1, РОС2, РОС3 (1, 2, 3). Для синхронизации используется навигационный сигнал с изменяемыми ПСП, передающийся от ведущей опорной станции 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 обеспечения работы системы в беззапросном режиме необходима точная синхронизация опорных станций. Разностно-дальномерный метод 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. 4.

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; R3 - R1=const; R2 - R4=const; R4 - R2=const, R4 - R3=const, R3 - R4=const, R2 - R1=const, R1 - R2=const, где const - изменяемый параметр.

Точки пересечения гипербол совпадают с местами нахождения абонентских терминалов (5, 6)

Структурная схема опорной станции отображена на ФИГ.5, где

11 - радиочастотная часть приемо-передатчика

12 - блок ЦАП/АЦП

13 - цифрвой модем BPSK

14 - согласованный фильтр

15 - блок интерфейсов

16 - формирователь ПСП

17 - контроллер

18 - формирователь тактового сигнала

19 - усилитель мощности

20 - генератор частоты повышенной точности

Обеспечение помехоустойчивости системы

Устойчивость к маскирующим помехам

Устойчивость к маскирующим помехам обеспечивается тем, что:

- в системе используется шумоподобный сигнал, для которого подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, где В - база сигнала;

- решение задачи 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;

- в системе обеспечивается комплексирование с инерциальной навигационной системой, не подверженной воздействию маскирующих помех.

Устойчивость к имитационным помехам

- устойчивость к генерируемым имитационным помехам (100%) обеспечивается использованием большого количества ПСП (более 1000 ПСП), динамически меняющихся по определенному сложному закону под управлением АПК;

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

- рабочая зона ЛСН (гиперболы) на карте Москвы в разностно-далъномерном методе представлена на Фиг. 6. Фокусы гипербол, находящиеся в местах расположения опорных станций (РОС1-РОС5) Гиперболы от сигналов, включенных в систему опорных станций, пересекаются в одной точке AT1, где находится абонент. Решение навигационной задачи - нахождение этой точки.

Переотраженные сигналы не входят в решение навигационной задачи, так как не попадают в точки пересечения гипербол, в фокусах которых расположены опорные станции с известными координатами.

Таким образом, борьба с влиянием имитационных ретранслированных помех производится такими же методами, как борьба с переотраженными сигналами.

Обеспечение решения задачи мониторинга

Задача точного позиционирования решается в AT с использованием разностно-далъномерного методов. После точного позиционирования эта информация в AT накладывается на помехоустойчивый навигационный сигнал с использованием функции Исключающее ИЛИ (сложение по модулю 2) и передается в АПК. На приемном конце на сигнал накладывается текущая ПСП с использованием функции Исключающее ИЛИ и навигационная информация выделяется. Так решается задача мониторинга. Это возможно, так как в AT есть передатчики.

Литература.

1.Сайт:http://seaman-sea.ru/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. Сайт:https://russianblogs.com/article/16919870/

10. Сайт: https://www.researchgate.net/publication/228412145_Implementation_of_microcontroller-aided_PC104_platform_for_multisensor_integrated_system

11. Сайт: https://www.researchgate.net/publication/272536056_Flight_Evaluation_of_a_Locata-augmented_Multisensor_Navigation_System

Изобретение относится к области радионавигации. Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокоточного позиционирования движущихся объектов в условиях отсутствия сигналов глобальных навигационных спутниковых систем путем создания сети радионавигационных опорных станций, работающих в запросном и беззапросном режимах, использующих оригинальный способ корреляционной обработки кода навигационного сигнала, отличающегося высокой устойчивостью к маскирующим и имитационным помехам. Для достижения заявленного технического результата предложен способ навигации с использованием радионавигационных опорных станций и опорная станция, обеспечивающие высокоточное позиционирование, использующие навигационный сигнал, свободный от воздействия ионосферы и погрешности определения эфемерид спутников, независимой от глобальных навигационных спутниковых систем, решающей как задачу позиционирования, так и задачу мониторинга объектов, использующей запросный и беззапросный режимы, дальномерный и разностно-дальномерный методы позиционирования, отличающийся использованием помехоустойчивого способа корреляционной обработки кода сигнала, при этом для обеспечения устойчивости к маскирующим и имитационным помехам используют шумоподобные сигналы с мощностью сигналов в точке приема, в 10000 раз превышающей мощность сигнала глобальных навигационных спутниковых систем, для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, где В - база сигнала. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ навигации с использованием радионавигационных опорных станций (РОС), содержащих радиочастотную часть приемопередатчика (11), блок ЦАП/АЦП (12), цифровой модем (13), согласованный фильтр (14), блок интерфейсов (15), формирователь ПСП (16), контроллер (17), формирователь тактового сигнала (18), усилитель мощности (19) и генератор частоты повышенной точности (20) и являющихся частью локальной радионавигационной системы (ЛРС), использующий запросный и беззапросный режимы, дальномерный и разностно-дальномерный методы позиционирования, отличающийся тем, что ЛРС состоит из сети РОС, абонентских терминалов (AT) и аппаратно-программного комплекса (АПК), при этом решение навигационной задачи позиционирования AT обеспечивают посредством разностно-дальномерного метода позиционирования, при котором AT принимают навигационные сигналы РОС и по разности времени прихода сигналов от нескольких РОС определяют свои координаты, направление движения и скорость, и дальномерного метода, при котором определяют местоположение AT измерением расстояний между ним и РОС, а решение задачи мониторинга обеспечивают путем передачи навигационных данных от AT на АПК, который осуществляет сбор данных мониторинга и управление сменой ПСП в РОС и AT по заданному закону, причем используют беззапросный режим с использованием синхронизированной сети РОС, в процессе которого с ведущей РОС направляют сигнал синхронизации на ведомые РОС, при этом используют навигационный сигнал, представляющий собой шумоподобный навигационный сигнал с базой В в виде изменяемых псевдослучайных последовательностей (ПСП) из В символов под управлением АПК, с помощью каждой пары из двух опорных станций получают линии положения в виде гипербол с фокусами в местах расположения РОС, представляющих собой геометрические места точек с постоянной разностью расстояний, определяемых временем запаздывания навигационных сигналов с изменяемыми псевдослучайными последовательностями от разных РОС, при этом гиперболы определяются равенствами: R1-R3=const; R3-R1=const; R2-R4=const; R4-R2=const, R4-R3=const, R3-R4=const, R2-R1=const, R1-R2=const, где R1, R2, R3, R4 - расстояния от AT до РОС, a const - изменяемый параметр, определяют местоположения AT как точки пересечения указанных гипербол, при этом в способе используют помехоустойчивую корреляционную обработку кода шумоподобного навигационного сигнала посредством обеспечения согласованной фильтрации шумоподобного навигационного сигнала с определением момента пика функции корреляции и используют шумоподобные сигналы с мощностью сигналов в точке приема, в 10000 раз превышающей мощность сигнала глобальных навигационных спутниковых систем, для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, и запросный режим, в котором AT базовый излучает дальномерный код, модулирующий несущую без необходимости в синхронизации РОС, а несколько РОС с известными координатами принимают сигнал и посылают ответные сигналы, которые принимаются AT.

2. Радионавигационная опорная станция, содержащая радиочастотную часть приемопередатчика (11), блок ЦАП/АЦП (12), цифровой модем (13), блок интерфейсов (15), контроллер (17), усилитель мощности (19), в котором радиочастотная часть (11) подключена к входу опорной станции, выход радиочастотной части (11) подключен к входу усилителя мощности (19), выход которого подключен к выходу опорной станции, а первый вход/выход радиочастотной части (11) подключен к первому входу/выходу блока ЦАП/АЦП (12), второй вход/выход которого подключен к общей шине опорной станции, третий вход/выход блока ЦАП/АЦП подключен к первому входу/выходу цифрового модема BPSK (13), второй вход/выход модема (13) подключен к общей шине опорной станции, вход/выход блока интерфейсов (15) подключен к общей шине опорной станции, к которой подключен вход/выход контроллера (17), отличающаяся тем, что дополнительно содержит формирователь псевдослучайных последовательностей (ПСП) (16), согласованный фильтр (14), генератор частоты повышенной точности (20) и формирователь тактового сигнала (18), причем выходы формирователя ПСП (16) подключены к входу модема (13) и к первому входу согласованного фильтра (14), выход модема (13) подключен ко второму входу согласованного фильтра (14), второй вход/выход радиочастотной части (11), входы/выходы согласованного фильтра (14) и блока формирования ПСП (16) подсоединены к общей шине опорной станции, вход генератора частоты повышенной точности (20) подключен к общей шине опорной станции, а выход - ко входу формирователя тактового сигнала (18), выход которого подключен к входам всех блоков опорной станции.