Способ дистанционного мониторинга позиционирования транспортных средств
Владельцы патента RU 2690521:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" (RU)
Изобретение относится к способам измерения расстояний с использованием радиоволн и может быть использовано для дистанционного мониторинга местоположения транспортных средств (ТС), движущихся по известным траекториям. Достигаемый технический результат - повышение точности определения текущих координат (позиционирования) транспортных средств и возможность реализации дистанционного мониторинга их позиционирования при отсутствии на борту транспортного средства навигационного вычислителя, в том числе, при уменьшении числа видимых навигационных спутников до двух. Указанный результат достигается за счет снижения уровня помех, обусловленных различными факторами, при сокращении состава спутниковой группировки до двух спутников. 1 ил.
Изобретение относится к способам измерения расстояний с использованием радиоволн и может быть использовано для дистанционного мониторинга местоположения транспортных средств, движущихся по известным траекториям.
Известны способы позиционирования транспортных средств на основе приема спутниковых навигационных сигналов, использующие передачу дифференциальных поправок к значениям псевдодальности, вычисляемых на базовой станции, в навигационный вычислитель транспортного средства [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. 3-е изд., перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с]. Недостатками данного способа являются невозможность его реализации при отсутствии вычислителя на транспортном средстве (ТС), невозможность дистанционного оповещения абонента - удаленного владельца транспортного средства, о текущих координатах ТС и невозможность реализации при уменьшении числа видимых навигационных спутников до двух. Наиболее близким к предложенному способу является способ дистанционного мониторинга позиционирования ТС на основе приема спутниковых навигационных сигналов, использующий передачу координат ТС, вычисленных в навигационном вычислителе транспортного средства, абоненту - удаленному владельцу ТС. [https://navis.ru/ru/uslugi/bezopasnye-sistemy-monitoringa, http://www.ckpt.ru/povidam?id=29]. Недостатками данного способа являются невозможность его реализации при отсутствии вычислителя на транспортном средстве, невозможность уменьшения ошибки определения координат ТС, вычисленных с использованием стандартных способов обработки спутниковых навигационных сигналов, и невозможность реализации при уменьшении числа видимых навигационных спутников до двух.
Заявленный способ направлен на повышение точности определения текущих координат (позиционирования) транспортных средств и возможность реализации дистанционного мониторинга их позиционирования при отсутствии на борту транспортного средства навигационного вычислителя, в т.ч. при уменьшении числа видимых навигационных спутников до двух.
Поставленная задача возникает при необходимости дистанционного мониторинга позиционирования различных транспортных средств - автопоездов, железнодорожных вагонов и др., движущихся по известным траекториям (автострадам, железным дорогам и т.п.), при уменьшении числа видимых навигационных спутников до двух.
Сущность заявленного способа состоит в том, что до начала движения транспортного средства (ТС) на основании картографической информации известная траектория движения ТС разбивается на участки, аппроксимируемые с заданной точностью ортодромическими отрезками, на которых существует функциональная связь между геоцентрическими координатами, позволяющая выразить две координаты через третью, при движении ТС по известной траектории спутниковые навигационные сообщения от N (N≥2) навигационных спутников передаются одновременно на первый приемник базовой станции, на выходе которого формируются кодовые измерения псевдодальности базовой станции от каждого спутника, и приемник ТС, на выходе которого формируются кодовые измерения псевдодальности ТС от каждого спутника, которые передаются из приемника ТС в передатчик ТС, на выходе которого формируется сообщение, включающее кодовые измерения псевдодальностей ТС, идентификационный код ТС и метку времени передачи, которое передается по радиоканалу и принимается на базовой станции вторым приемником, с выхода которого принятые идентификационный код ТС и кодовые измерения псевдодальностей ТС, а также сформированные в нем кодовые измерения псевдодальности ТС до базовой станции вместе с выходными сигналами первого приемника базовой станции поступают на вход вычислителя базовой станции, где для каждого спутника формируется сумма кодовых измерений псевдодальностей ТС и ТС до базовой станции, из которой вычитаются кодовые измерения псевдодальности базовой станции и формируется уравнение невязки между полученной разностью и ее аналитическим выражением в геоцентрической системе координат с учетом функциональной связи геоцентрических координат на ортодромии, после чего из решения системы уравнений невязок для двух спутников, выбранных из расчета геометрического фактора базовой станции, итеративными методами определяются текущая помеха измерения и одна текущая координата ТС в геоцентрической системе координат, остальные две текущие координаты ТС вычисляются с использованием функциональной связи геоцентрических координат на ортодромии, после чего текущие координаты ТС вместе с идентификационным кодом ТС поступают в передатчик базовой станции, с выхода которого с меткой времени поступают абоненту. Реализация предложенного способа состоит в следующем (фиг. 1). На основании картографической информации (например, электронной карты) известная траектория движения ТС разбивается до начала движения на участки, аппроксимируемые с заданной точностью кратчайшими отрезками траектории между точками разбиения (т.н. ортодромическими отрезками). На данных ортодромических отрезках существует следующая связь между геоцентрическими (гринвичскими) координатами на ортодромической траектории, позволяющая выразить две координаты ξ, ξ через третью координату η [Соколов С.В. Синтез аналитических моделей пространственных траекторий и их применение для решения задач спутниковой навигации // Прикладная физика и математика, Т.1. вып. 2. 2013. С. 3-12]:
где 
, r - радиус Земли,
, 
, 
- геоцентрические координаты начальной точки ортодромического отрезка,
, 
, 
- геоцентрические координаты конечной точки ортодромического отрезка.
Это позволяет представить расстояние Ri, между i-м спутником 1 и ТС 2:
где 
, 
, 
- известные координаты i-го спутника 1 в геоцентрической системе координат,
ξ, η, ζ - координаты ТС 2 в геоцентрической системе координат,
функцией только координаты η:
где
с использованием которой задача дистанционного мониторинга ТС решается следующим образом.
Спутниковые сообщения от N(N≥2) навигационных спутников 1 передаются одновременно на приемник 21 транспортного средства 2 и первый приемник 31 базовой станции 3. После получения навигационного сообщения от i-го спутника 1 (i=1,…, N) и его первичной обработки на выходе приемника 21 ТС 2 формируются кодовые измерения псевдодальности ZRiTC 2:
где с - скорость света,
Δτ - погрешность часов ТС 2,
ΔTi - погрешность часов i-го спутника 1,
WИ, WT - погрешности, обусловленные прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу,
WRi - погрешности, включающие аппаратурные погрешности приемника 21 ТС 2 и передатчика i-го спутника 1, погрешности многолучевости и случайные погрешности измерения;
а на выходе первого приемника 31 базовой станции 3 - кодовые измерения псевдодальности ZRБi базовой станции 3:
ξБ, ηБ, ζБ - известные координаты базовой станции 3 в геоцентрической системе координат,
ΔτБ - погрешность часов базовой станции 3,
ΔTi - погрешность часов i-го спутника 1,
WИ, WT - погрешности, обусловленные прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу,
WRБi - погрешности, включающие аппаратурные погрешности первого приемника 31 базовой станции 3 и передатчика i-го спутника 1, погрешности многолучевости и случайные погрешности измерения.
Далее кодовые измерения псевдодальности ТС 2 передаются из приемника 21 в передатчик 22 ТС 2, на выходе которого формируется сообщение, включающее кодовые измерения псевдодальности, идентификационный код ТС 2 и метку времени передачи. Данные сообщения передаются по выделенному радиоканалу и принимаются на базовой станции 3 вторым приемником 32, функционально ориентированным только на прием сигналов от ТС 2. При этом на выходе приемника 32 помимо принятых кодовых измерений псевдодальности ТС 2 от i-го спутника формируются кодовые измерения псевдодальности ZRT ТС 2 до базовой станции 3:
где
Δτ - погрешность часов ТС 2,
ΔτБ - погрешность часов базовой станции 3,
WRT - погрешности, включающие аппаратурные погрешности приемника 32 базовой станции 3 и передатчика 22 ТС 2, погрешности многолучевости и случайные погрешности измерения.
Выходные сигналы приемников 31 32 поступают на вход вычислителя 4 базовой станции 3, где с целью определения текущих параметров движения ТС 2 вторичной обработке подвергается следующая комбинация сигналов ZR*: кодовых измерений псевдодальности ZRi ТС 2, кодовых измерений псевдодальности ZRБi и кодовых измерений псевдодальности ZRT ТС 2 до базовой станции 3:
Сформированный таким образом сигнал ZR*i свободен от погрешностей, в наибольшей степени влияющих на точность спутниковой навигации: погрешностей часов ТС 2, базовой станции 3 и спутника 1, а также погрешностей, обусловленных прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу. Более того, линейная комбинация погрешностей WR*i=WRi - WRБi+WRT не зависит от помех, также существенно влияющих на общую точность решения навигационной задачи: аппаратурных погрешностей передатчика спутника 1 и погрешностей многолучевости при передаче навигационных сообщений от /-го спутника 1. В целом, это резко снижает уровень помех в сигнале ZR*i что повышает точность оценки параметров движения ТС 2 при вторичной обработке в вычислителе 4, которая состоит в определении параметров движения ТС 2 из решения системы уравнений невязок, полученных по измерениям двух спутников, выбранных из расчета геометрического фактора базовой станции 3 (или при сокращении состава спутниковой группировки до двух спутников - по измерениям оставшихся):
где WR*=WR*i=const в текущий момент времени.
Решением данной нелинейной системы уравнений является вектор 
который определяется для каждого момента времени известными итеративными методами (например, методом Ньютона или его модификациями). На основании полученного значения координаты η рассчитываются две другие координаты ξ, ζ по соотношениям (1).
Полученные текущие координаты ТС 2 и его идентификационный код поступают в передатчик 5 базовой станции 3, с выхода которого с меткой времени поступают абоненту.
Предложенный способ обработки навигационных сигналов позволяет, во-первых, существенно снизить уровень помех, обусловленных погрешностями часов ТС и спутника, прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу, аппаратурными погрешностями передатчика спутника и погрешностями многолучевости при передаче навигационных сообщений от спутника, а во-вторых, осуществлять решение задачи спутниковой навигации ТС при сокращении состава спутниковой группировки до двух спутников, и, тем самым, существенно повысить точность определения текущих координат ТС и его устойчивость к пропаданию спутниковых сигналов.
Способ дистанционного мониторинга позиционирования транспортных средств, заключающийся в том, что до начала движения транспортного средства (ТС) на основании картографической информации известная траектория движения ТС разбивается на участки, аппроксимируемые с заданной точностью ортодромическими отрезками, на которых существует функциональная связь между геоцентрическими координатами, позволяющая выразить две координаты через третью, при движении ТС по известной траектории спутниковые навигационные сообщения от N (N≥2) навигационных спутников передаются одновременно на первый приемник базовой станции, на выходе которого формируются кодовые измерения псевдодальности базовой станции от каждого спутника, и приемник ТС, на выходе которого формируются кодовые измерения псевдодальности ТС от каждого спутника, которые передаются из приемника ТС в передатчик ТС, на выходе которого формируется сообщение, включающее кодовые измерения псевдодальностей ТС, идентификационный код ТС и метку времени передачи, которое передается по радиоканалу и принимается на базовой станции вторым приемником, с выхода которого принятые идентификационный код ТС и кодовые измерения псевдодальностей ТС, а также сформированные в нем кодовые измерения псевдодальности ТС до базовой станции вместе с выходными сигналами первого приемника базовой станции поступают на вход вычислителя базовой станции, где для каждого спутника формируется сумма кодовых измерений псевдодальностей ТС и ТС до базовой станции, из которой вычитаются кодовые измерения псевдодальности базовой станции и формируется уравнение невязки между полученной разностью и ее аналитическим выражением в геоцентрической системе координат с учетом функциональной связи геоцентрических координат на ортодромии, после чего из решения системы уравнений невязок для двух спутников, выбранных из расчета геометрического фактора базовой станции, итеративными методами определяются текущая помеха измерения и одна текущая координата ТС в геоцентрической системе координат, остальные две текущие координаты ТС вычисляются с использованием функциональной связи геоцентрических координат на ортодромии, после чего текущие координаты ТС вместе с идентификационным кодом ТС поступают в передатчик базовой станции, с выхода которого с меткой времени поступают абоненту.
