Устройство формирования навигационных поправок

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических системах навигации, например, на контрольных станциях, реализующих дифференциальный метод навигации. Техническим результатом является повышение точности формирования навигационных поправок. Для достижения этого результата в известное устройство формирования навигационных поправок, содержащее последовательно соединенные аппаратуру потребителя, вычислитель поправки, модулятор, передатчик, а также вычислитель параметра, подключенный выходами ко второму входу вычислителя поправки, введены блок запоминания, включенный последовательно между вычислителем поправок и модулятором, и блок редукции, m входов которого связаны с m выходами (со 2-го по (m+1)-й) блока запоминания, m входов которого (со 2-го по (m+1)-й) подключены к выходам блока редукции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнических системах навигации, например, на контрольных станциях, реализующих дифференциальный метод навигации.

Известно устройство [1 стр. 9, рис. 3], используемое для получения и передачи потребителю сетевой спутниковой навигационной системы (ССНС) поправок к измеряемому в процессе местоопределения навигационному параметру. Указанное устройство выбрано в качестве прототипа и является воплощением метода, известного в научной литературе как дифференциальный и предназначенного для борьбы с превалирующими в практике навигационных определений систематическими ошибками. Отмечая очевидную полезность указанного метода, необходимо учитывать следующее обстоятельство. Определяемые поправки к измеряемым навигационным параметрам являются случайными величинами и, в общем случае, характеризуются среднеквадратической ошибкой (СКО) σ₁, соизмеримой с СКО шума навигационных измерений σ₂, выполняемых потребителем. Следовательно, при введении указанной поправки в корректируемый навигационный параметр дисперсия его случайной погрешности будет увеличиваться и равняться сумме дисперсий σ²₁ и σ²₂, которая в ряде ситуаций превышает допустимые для конкретных навигационных задач пределы. С этих позиций представляется целесообразным введение в известное устройство формирования поправок блока, осуществляющего подавление случайной составляющей шумов измерений.

Устройство формирования навигационных поправок - прототип содержит (фиг. 1) последовательно соединенные аппаратуру потребителя 1, вычислитель поправки 5, модулятор 4, передатчик 3, а также вычислитель параметра 2, выход которого подключен ко второму входу вычислителя поправки 5.

Устройство - прототип работает следующим образом. На основе принимаемого от навигационного спутника (НИСЗ), входящего в состав ССНС, кадра информации в аппаратуре потребителя 1 оценивается значение навигационного параметра, например, дальности между НИСЗ и контрольной станцией, которое поступает на первый вход вычислителя поправки 5, на второй вход которого поступает значение дальности, принимаемое за эталонное с вычислителя параметра 2, в котором оно рассчитывается по формуле: где [x_НИСЗ, y_НИСЗ, z_НИСЗ]= эфемериды НИСЗ, [x_С, y_С, z_С] = - координаты контрольной станции.

В вычислителе 5 формируется навигационная поправка по формуле Полученное значение поправки путем модуляции в модуляторе 4 накладывается на излучаемый передатчиком 3 сигнал.

Недостатки устройства-прототипа определяются тем обстоятельством, что формируемая поправка, при введении в измеряемый параметр, вносит дополнительную случайную погрешность.

Один из очевидных путей борьбы с указанным недостатком заключается в подавлении случайной ошибки навигационной поправки С этой целью предлагается применять более эффективный, чем традиционные несмещенные оценки, метод смещенного регуляризирующего редуцированного оценивания [2, 3, 4]. Один из вариантов указанных редуцированных оценок может быть описан следующим алгоритмом: где - несмещенная оценка величины х; σ² - дисперсия несмещенного оценивания; m - общее число оцениваемых параметров; где в свою очередь,

Применительно к рассматриваемой задаче приведенный алгоритм может быть представлен в следующем виде:

где Δr^* - навигационная поправка, формируемая устройством-прототипом по i-му HИCЗ; - общее среднее, где есть

σ² - дисперсия случайной погрешности, присутствующей в
Для реализации метода редуцированного оценивания необходимо полученные по всем НИСЗ навигационные поправки подвергнуть коррекции в соответствии с соотношением (2). Эффективность указанного метода иллюстрируется фиг.3, где по оси ординат откладывается отношение полной квадратичной ошибки смещенного оценивания вектора к аналогичной ошибке несмещенной оценки вектора , где i=1,.,m, а m - число навигационных поправок (число НИСЗ, по которым формируются поправки), а по оси абсцисс - величина При этом наибольший выигрыш достигается при ν = 0 и равен Он тем выше, чем ближе по своему значению поправки Δr^* к общесреднему , чем больше величина m и меньше ν.
Для построения устройства с лучшими точностными характеристиками необходимо ввести в прототип блок запоминания для накапливания элементов вектора при проведении последовательных измерений, а также блок редукции, реализующий коррекцию указанных элементов в соответствии с соотношением (2). Введение указанных блоков составляет существенное отличие заявляемого изобретения от прототипа.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является повышение точности формирования навигационных поправок.

Решение поставленной задачи достигается введением в прототип блока 6 запоминания, последовательно включенного между выходами вычислителя поправок 5 и входами модулятора 4, а также блока 7 редукции, m входов которого связаны с m выходами блока 6 запоминания (со второго по m+1), а m входов последнего (со 2-го по m+1) подключены к m выходам блока 7 редукции (фиг. 2).

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемым рисунком, на котором блок 7 редукции содержит последовательно соединенные первый блок 8 сложения, первый блок 9 деления, второй блок 12 сложения, первый блок 13 вычитания, второй блок 14 деления, третий блок 17 сложения, третий блок 18 деления, четвертый блок 21 сложения, второй блок 22 вычитания, четвертый блок 23 деления, причем выход последнего соединен с m входами блока 6 запоминания через m однотипных i-x (i= 1,...,m) цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные четвертый перемножитель 24 и второй сумматор 25, выход третьего блока 18 деления связан с m входами четвертого блока 21 сложения через m однотипных i-x цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные второй вычитатель 19 и третий перемножитель 20, выход второго блока 14 деления соединен с m входами третьего блока 17 сложения также через m однотипных i-x цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные второй перемножитель 15 и сумматор 16, а выход первого блока 9 деления связан с m входами второго блока 12 сложения через m однотипных i-x цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные первый вычитатель 10 и первый перемножитель 11.

Причем m i-x входов первого блока 8 сложения, являющихся входами блока 7 редукции, соединены соответственно с m вторыми входами i-x первых и вторых вычитателей 10 и 19, m выходов которых соединены с m вторыми входами первых и третьих перемножителей 11 и 20 i-й ветви и с m вторыми входами вторых и четвертых перемножителей 15 и 24 также i-й ветви; m i-x выходов первого блока 9 деления соединены с m вторыми входами первых сумматоров 16 i-й цепочки, m выходов которых соединены с m входами третьего блока 17 сложения; m i-x выходов третьего блока 18 деления соединены с m вторыми входами вторых сумматоров 25 i-й ветви, m выходов которых соединены с m входами блока 6 запоминания и являются выходами блока 7 редукции; выходы второго и четвертого блоков соответственно 12 и 21 сложения соединены со вторыми входами второго и четвертого соответственно блоков 14 и 23 деления, а на вторые входы блоков 13 и 22 вычитания подается сигнал постоянного уровня, равный (m-3) σ².
Устройство формирования навигационных поправок работает следующим образом. Принимаемый от НИСЗ сигнал претерпевает преобразования до получения значения В блоке 6 запоминания формируется вектор навигационных поправок для каждого из "видимых" контрольной станцией НИСЗ. Элементы этого вектора поступают по m ветвям на m соответствующих входов первого блока 8 сложения, на m вторых входов i-x первых и вторых вычитателей соответственно 10 и 19, на выходе первого блока 8 сложения формируется сумма навигационных поправок, которая в первом блоке 9 деления делится на m. Так формируется общее среднее Последнее поступает на m первых входов первых i-x вычитателей 10 и на m вторых входов первых i-x сумматоров 16. На m выходах первых i-x вычитателей 10 формируются разности поступающие на m первых и вторых входов первых перемножителей 11 i-x цепей и на m вторых входов вторых перемножителей 15 также i-x цепей. На выходе каждого первого перемножителя 11 i-й цепи формируются значения поступающие на m входов второго блока 12 сложения, на выходе которого формируется значение поступающее на второй вход второго блока 14 деления, на первый вход которого поступает выходной сигнал блока 13 вычитания, равный разности выходного сигнала второго блока 12 сложения и величины (m-3] σ², в результате, на выходе блока 14 деления формируется величина

поступающая на m вторых входов i-x вторых перемножителей 15, на выходе которых формируются редуцированные значения отношений поправок от общего среднего, равные

которые складываются в m первых i-x сумматорах 16 с общим средним В результате, на m i-x выходах этих сумматоров формируется m редуцированных значений навигационных поправок

поступающих на m входов третьего блока 17 сложения, на выходе которого формируется сумма которая в третьем блоке 18 деления делится на m. Так формируется общее среднее Последнее поступает на m первых входов вторых i-x вычитателей 19 и на m вторых входов вторых i-x сумматоров 25. На m выходах вторых i-x вычитателей 19 формируются разности поступающие на m первых и вторых входов третьих перемножителей 20 i-x цепей и на m вторых входов четвертых перемножителей 24 также i-x цепей. На выходе каждого третьего перемножителя 20 i-й цепи формируются значения поступающие на m входов четвертого блока 21 сложения, на выходе которого формируется значение поступающее на второй вход четвертого блока 23 деления, на первый вход которого поступает выходной сигнал блока 22 вычитания, равный разности выходного сигнала четвертого блока 21 сложения и величины (m-3) σ², в результате на выходе блока 23 деления формируется величина

поступающая на m вторых входов i-x четвертых перемножителей 24, на выходе которых формируются редуцированные значения отклонений поправок от общего среднего, равные

которые складываются в m i-x вторых сумматорах 25 с общим средним В результате на m i-x выходах блока 7 редукции формируется m редуцированных значений навигационных поправок

характеризующихся меньшей случайной ошибкой, чем их несмещенные аналоги и поправки, получаемые с m i-x выходов первых сумматоров 16

Полученные m значений запоминаются в блоке 6 запоминания и поочередно поступают на модулятор 4. В дальнейшем работа заявляемого устройства не отличается от прототипа.

Для подтверждения факта повышения точности при использовании заявляемого устройства авторами было проведено имитационное моделирование процедуры формирования навигационных поправок с оценкой точности по методу статистических испытаний Монте-Карло. При этом в качестве ССНС была выбрана система "NAVSTAR", в качестве потребителей рассматривались как летательные аппараты, так и наземные потребители. В ходе моделирования получены результаты, позволяющие утверждать, что при нахождении в зоне видимости контрольной станции, например, 9 НИСЗ возможно снижение дисперсии случайной погрешности навигационной поправки в 3 раза, что в пересчете в дисперсию случайной погрешности величины r^*_i дальности между потребителем и НИСЗ определяет выигрыш более, чем в 1,53 раза.

Литература:
1.Зарубежная радиоэлектроника, N 1, 1989 г.

2. Демиденко E. 3. Линейная и нелинейная регрессии. М.: Финансы и статистика. 1981 г.,381 с.

З. Алешкин А. П., Степанов М.Г. Определение параметров движения целей в группе при наличии систематических ошибок измерений. Рукопись деп. ЦНТИ "Информсвязь", ВИНИТИ, N 11, 1989 г.

4. Алешкин А.П. Способ определения вектора состояния летательного аппарата. Пол. решение по заявке N 24/157684, 1988 г.

Формула изобретения

1. Устройство формирования навигационных поправок, содержащее последовательно соединенные аппаратуру потребителя, вычислитель поправок, модулятор, передатчик, а также вычислитель параметра, подключенный выходами ко второму входу вычислителя поправок, отличающееся тем, что в него введены блок запоминания, включенный последовательно между вычислителем поправок и модулятором, и блок редукции, m входов которого связаны с m выходами (со 2-го по (m + 1)-й) блока запоминания, m входов которого (со 2-го по (m + 1)-й) подключены к выходам блока редукции.

2. Устройство формирования навигационных поправок по п.1, отличающееся тем, что блок редукции содержит последовательно соединенные первый блок сложения, первый блок деления, второй блок сложения, первый блок вычитания, второй блок деления, третий блок сложения, третий блок деления, четвертый блок сложения, второй блок вычитания, четвертый блок деления, выход которого соединен с m входами блока запоминания через m однотипных i-х (i = 1, ..., m) цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные четвертый перемножитель и второй сумматор, выход третьего блока деления связан с m входами четвертого блока сложения через m однотипных i-х цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные второй вычитатель и третий перемножитель, выход второго блока деления соединен с m входами третьего блока сложения также через m однотипных i-х цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные второй перемножитель и первый сумматор, а выход первого блока деления связан с m входами второго блока сложения через m однотипных i-х цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные первый вычитатель и первый перемножитель, причем m i-х входов первого блока сложения, являющиеся входами блока редукции, соединены соответственно с m вторыми входами i-х первых и вторых вычитателей, m выходов которых соединены с m вторыми входами первых и третьих перемножителей i-й ветви и с m вторыми входами вторых и четвертых перемножителей также i-й ветви соответственно, m i-х выходов первого блока деления соединены с m вторыми входами первых сумматоров i-й цепочки, m выходов которых соединены с m входами третьего блока сложения, m i-х выходов третьего блока деления соединены с m вторыми входами вторых сумматоров i-й ветви, m выходов которых соединены с m входами блока запоминания и являются выходами блока редукции, выходы второго и четвертого блоков сложения соединены со вторыми входами второго и четвертого соответственно блоков деления, а на вторые входы первого и второго блоков вычитания подается сигнал постоянного уровня, равный (m - 3)σ², где m - количество поправок, а σ² - дисперсия случайной погрешности поправки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3