Способ определения относительных координат объекта с привязкой к произвольной точке пространства и система для его реализации

Изобретение относится к области спутниковой навигации и может быть использовано для определения значений координат фазовых центров антенн навигационных приемников. Технический результат - повышение точности определения координат объекта при отсутствии доступа к реальным координатам опорного пункта и реальным измерениям, сделанным на опорном пункте. Для этого на опорной станции осуществляют соотнесение (редукцию) параметров (скоростей и дальностей) к координатам произвольной точки пространства (виртуальной точке). 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области спутниковой радионавигации, геодезии, радио и светодальнометрии и может быть использовано для определения значений пространственных координат и составляющих вектора скорости фазовых центров антенн навигационной аппаратуры пользователей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) различного назначения.

Известны способы определения пространственных координат и составляющих вектора скорости пользователей СРНС, реализованные в системах второго поколения, к которым относятся российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС и, принадлежащая США, система GPS (Global Positioning System).

Каждый навигационный космический аппарат (НКА) ГЛОНАСС и GPS непрерывно передает соответственные навигационные сообщения, содержащие информацию, на основании которой на определяемых объектах (пользователях СРНС) навигационной аппаратурой пользователей (НАП) осуществляется одновременный прием навигационных радиосигналов от нескольких НКА, производятся измерения псевдодальностей между пользователями и НКА и производятся расчеты, необходимые для решения навигационной задачи. Геометрическим эквивалентом конечного алгоритма решения навигационной задачи этого известного способа является построение относительно используемых НКА нескольких поверхностей положения, точка пересечения которых и является оценкой положения пользователей.

Навигационные сообщения, передаваемые каждым НКА, содержат следующую информацию:

- информацию о состоянии спутников систем, позволяющую пользователям сделать вывод о целесообразности использования данных, передаваемых спутниками для навигационных определений;

- поправки к эталонам времени и частоты спутника;

- данные об эфемеридах (пространственных координатах и составляющих скорости);

- параметры для введения поправок на задержку навигационных радиосигналов спутников при распространении.

Формирование массивов навигационной (служебной) информации (время, эфемериды, параметры для введения поправок и т.д.), а также передачу (загрузку) их в память бортовых электронно-вычислительных машин (ЭВМ) соответствующих НКА производят наземными контрольными станциями (КС), контролирующими орбиты НКА, расхождения шкал времени НКА с системным временем и прогнозирование эфемерид каждого НКА.

Используя информацию навигационных сообщений, принятых НАП, и измерения псевдодальностей до нескольких выбранных НКА, устанавливают функциональные зависимости между известными координатами НКА и неизвестными координатами пользователей СРНС. Оценка координат пользователей сводится к решению системы с количеством навигационных уравнений, равным количеству измеренных псевдодальностей по НКА.

В результате решения системы навигационных уравнений, как правило, определяют четыре неизвестных: три координаты местоположения пользователя (Х_п, Y_п, Z_п) и поправку к его шкале времени (поправка к его часам).

Аналогичным образом с использованием результатов измерений псевдоскоростей определяют три составляющих вектора скорости пользователя (V_Xп, V_Yп, V_Zп) и поправку к частоте местного эталона частоты, используемого для формирования шкал времени.

Для повышения точности определения координат потребителя используют совместную обработку измерений, полученных в точке с известными координатами, которую называют опорным пунктом (ОП), и полученных непосредственно потребителем. (См. RU 2155969, G 01 S 5/02, 10.09.2000, US 5752218, G 01 S 5/00, 12.05.1998, WO 03062849, G 01 C 15/00, 22.01.2003).

При работе в реальном времени потребителю должен передаваться набор параметров, характеризующих опорный пункт. Такая передача обычно производится путем радиосвязи, а сам режим называется дифференциальным (относительным) режимом реального времени.

В настоящее время для передачи данных при организации дифференциального режима реального времени широко используется формат, рекомендованный специальной комиссией США по мореплаванию RTCM SC-104. Среди сообщений, описываемых данным форматом, есть такие, которые предусматривают передачу точных координат опорного пункта, а также измерений псевдодальностей и псевдофазы несущей.

При апостериорной обработке также используются значения псевдодальностей и псевдофазы несущей, измеренные на опорном пункте.

В настоящее время в Российской Федерации действует ограничение на открытую публикацию координат любых стационарных объектов. Согласно этому ограничению координаты объектов должны публиковаться с точностью не лучше 30 м. Однако, согласно требованиям RTCM SC-104, а также логике относительных определений, значения координат опорного пункта должны передаваться с погрешностями не хуже 1 см (кадры 3 и 22 в формате RTCM SC-104), что нарушает закон.

Кроме того, обработка измерений псевдодальности и псевдофазы позволит восстановить координаты опорного пункта с точностью не хуже 20 м, что также будет являться нарушением закона.

Технический результат - повышение точности определения координат объекта при отсутствии доступа к реальным координатам опорного пункта и измерениям, полученным на нем.

Для этого предлагается способ определения относительных координат объекта с привязкой к произвольной (виртуальной) точке пространства, заключающийся в том, что на навигационном объекте (НО) и опорном пункте (ОП) принимают сигналы от “К” навигационных космических аппаратов, где К - любое целое число, и производят измерение псевдодальности по фазе кода, псевдодальности по фазе несущей и радиальной псевдоскорости, при этом на опорном пункте производят редукцию измеренных параметров к координатам виртуальной точки пространства, после чего предоставляют потребителю редуцированные параметры и координаты виртуальной точки. При работе в реальном времени передача потребителю этих параметров может осуществляться по радиоканалу.

При этом система, реализующая данный способ, отличается от известных систем, обеспечивающих дифференциальный (относительный) режим спутниковой навигации, введением в состав аппаратуры опорного пункта устройства редукции. Устройство редукции соединяется последовательно с выходом аппаратуры приема информации от НКА. В устройстве редукции выполняются расчеты согласно способу, а именно, производится соотнесение параметров к координатам произвольной точки пространства (виртуальной точки). После чего редуцированные параметры передаются на навигационный объект, осуществляющий прием сигналов от НКА.

Вход и выход блока редукции могут быть выполнены в стандарте любого информационного интерфейса: RS-232, RS-422, RS-485, LPT, USB и т.д.

В качестве вычислителя в блоке редукции может использоваться любой тип процессора или контроллера.

На чертеже приведены основные геометрические построения.

Точка А - точка, где располагается фазовый центр антенны приемной аппаратуры ОП (истинная точка). Точка В - виртуальная точка. Таким образом, отрезок [АВ]=b является расстоянием между истинной и виртуальной точками. В точке S₁ находится НКА, однако вследствие погрешностей координат НКА для расчетов используются координаты точки S₂. Таким образом, длина отрезка [ S₁S₂]=L представляет вектор погрешностей координат НКА. Длина отрезка [ AS₂]=R является вычисленным расстоянием между опорным пунктом и НКА.

Способ заключается в следующем.

Исходными данными для редуцирования являются:

- X_k, У_k, Z_k - прямоугольные геоцентрические координаты k-того НКА (k=1-K), полученные при помощи данных, переданных с борта НКА;

- V_Xk, V_Yk V_Zk - компоненты скорости k-того НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат, полученные при помощи данных, переданных с борта НКА;

- X, Y, Z - прямоугольные геоцентрические координаты фазового центра антенны (истинные координаты точки А на чертеже);

- X^B, Y^B, Z^B - прямоугольные геоцентрические координаты произвольной (виртуальной) точки пространства, к которой производится редукция (точки В на чертеже).

Редуцируемыми параметрами являются:

- D_k - измеренная псевдодальность до k-того НКА

- P_k - измеренная псевдофаза до k-того НКА

- V_k - измеренная псевдоскорость относительно k-того НКА

Результатом редукции являются:

- D_k ^B - редуцированная псевдодальность до k-того НКА

- P_k ^B - редуцированная псевдофаза до k-того НКА

- S_k ^B - редуцированная псевдоскорость относительно k-того НКА

- Редукция выполняется следующим образом:

1. Расчет расстояния между опорным пунктом и k-тым НКА:

2. Расчет расстояния между виртуальной точкой и k-тым НКА:

3. Расчет величины редукции для измерений псевдодальности и псевдофазы по k-тому НКА:

Δ _k=R_k ^B-R_k

4. Расчет редуцированных измерений псевдодальности и псевдофазы по k-ому НКА

P_k ^B=P_k+Δ _k

D_k ^B=D_k+Δ _k

5. Расчет радиальной скорости k-ого НКА относительно опорного пункта:

V_k=[(x_k-X)× Vx_k+(Y_k-Y)× Vy_k+(Z_k-Z)× Vz_k]/R_k

6. Расчет радиальной скорости k-ого НКА относительно виртуальной точки:

V_k ^B=[ (X_k-X^B)× Vх_к+(Y_k-Y^B)× Vy_k+(Z_k-Z^B)× Vz_k]/R_k ^B

7. Расчет величины редукции для измерения псевдоскорости по k-ому НКА:

δ _k=V_k ^B-V_k

8. Расчет редуцированного измерения псевдоскорости по k-ому НКА:

S_k ^B=V_k+δ _k

Влияние погрешностей координат НКА на редуцированные дальномерные измерения представлено разностью проекций отрезка L на линии [S₂B] и [S₂A] (см. чертеж). Поскольку углы (S₁S₂B) и (S₁CS₂) являются прямыми, разность проекций отрезка L на линии [S₂B] и [S₂A] составит отрезок [CS₂]=l. Таким образом, чем больше значение l, тем больше ошибки редуцирования.

Ошибка редуцирования определяется следующей формулой:

Если величина b много меньше R, то формула (1) может быть трансформирована к более простому виду:

Применительно к задачам определения координат пренебрежимо малой может считаться погрешность редуцирования, меньшая 1 мм.

В качестве примера рассмотрим СРНС ГЛОНАСС, где величина R≈ 20000 км. Примем, что погрешности координат НКА имеют значение L=20 м. Тогда, согласно формуле (2), для обеспечения погрешности редуцирования меньше 1 мм расстояние между опорным пунктом и виртуальной точкой не должно превышать 10 км.

1. Способ определения относительных координат объекта с привязкой к произвольной точке пространства, заключающийся в том, что на навигационном объекте (НО) и опорном пункте (ОП) принимают сигналы от "К", где "К" - любое целое число навигационных космических аппаратов (НКА), и производят измерения псевдодальности по фазе кода, псевдодальности по фазе несущей и радиальной псевдоскорости, по измеренным данным на опорном пункте производят редукцию измеренных параметров к координатам виртуальной точки пространства, после чего редуцированные параметры и координаты виртуальной точки передают потребителю по радиоканалу, при этом редукцию измеренных параметров к координатам виртуальной точки пространства осуществляют следующим образом: рассчитывают расстояния между опорным пунктом и k-м НКА (k=1÷K):

рассчитывают расстояния между виртуальной точкой и k-м НКА:

определяют величины редукции для измерений псевдодальности и псевдофазы по k-му НКА:

Δ_k=R_k ^B-R_k;

рассчитывают редуцированных измерений псевдодальности и псевдофазы по k-му НКА:

P_k ^B=P_k+Δ_k

D_k ^B=D_k+Δ_k;

определяют радиальную скорость k-го HKA относительно опорного пункта:

V_k=[(х_k-X)·Vx_k+(Y_k-Y)·Vy_k+(Z_k-Z)·Vz_k]/R_k;

определяют радиальную скорость k-го HKA относительно виртуальной точки:

V_k ^B=[(X_k-X^B)·Vx_k+(Y_k-Y^B)·Vy_k+(Z_k-Z^B)·Vz_k]/R_k ^B;

определяют величину редукции для измерения псевдоскорости по k-му НКА δ_k=V_k ^B-V_k;

и рассчитывают редуцированные измерения псевдоскорости по k-му HKA:

S_k ^B=V_k+δ_k;

где X_k, Y_k, Z_k - прямоугольные геоцентрические координаты k-го HKA, полученные при помощи данных, переданных с борта HKA;

V_xk V_yk, V_zk - компоненты скорости k-го HKA в прямоугольной геоцентрической системе координат, полученные при помощи данных, переданных с борта HKA;

X, Y, Z - прямоугольные геоцентрические координаты фазового центра антенны (истинные координаты опорного пункта);

X^B, Y^B, Z^B - прямоугольные геоцентрические координаты произвольной точки пространства, относительно которой производится редукция, при этом редуцируемыми параметрами являются:

D_k - измеренная псевдодальность до k-го HKA

P_k - измеренная псевдофаза до k-го HKA

V_k - измеренная псевдоскорость относительно k-го HKA

результатом редукции являются:

- D_k ^B - редуцированная псевдодальность до k-го HKA

- P_k ^В - редуцированная псевдофаза до k-го HKA

- S_k ^B - редуцированная псевдоскорость относительно k-го НКА, а погрешность, вносимая при редукции в измерения псевдодальности и псевдофазы, определяется формулой:

где l - величина вносимой погрешности;

b - расстояние между опорными пунктом и виртуальной точкой пространства;

R - расстояние между опорным пунктом и НКА;

L - величина вектора погрешностей координат НКА;

2. Система определения относительных координат с привязкой к произвольной точке пространства, содержащая "К" НКА, где "К" - любое целое число, аппаратуру для приема информации от НКА, установленную на опорном пункте и вырабатывающую данные, подлежащие редукции, соединяемую последовательно с входом блока редукции, при этом блок редукции на основе истинных координат опорного пункта, координат виртуальной точки и координат и составляющих скорости НКА осуществляет внесение поправок, распечатанных на основе координат виртуальной точки в данные, поступающие от аппаратуры для приема информации от НКА и передаваемые навигационному объекту, осуществляющему прием сигналов от "К" НКА.