СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ЛОКАЛЬНОЙ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ СТАНЦИИ (ЛККС) С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АНОМАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ

Название	СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ЛОКАЛЬНОЙ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ СТАНЦИИ (ЛККС) С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АНОМАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ
Разработчик (Авторы)	Завалишин Олег Иванович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2542326
Дата регистрации	04.10.2013
Правообладатель	Завалишин Олег Иванович

Описание изобретения

Изобретение относится к областям радиотехники, вычислительной техники и глобальных навигационных спутниковых систем и может быть использованно в гражданской авиации.

Известен способ формирования поправок к навигационной информации для воздушных судов (ВС), описанный в полезной модели «Наземная система функционального дополнения в спутниковой радионавигации с формированием поправок к псевдодальностям [патент №38055, МПК G01C 21/24 от 17.02. 2004], характеризующийся приемом и обработкой радиосигналов навигационных спутников (НС) с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников и вычислителя, составляющих ЛККС с заранее определенными координатами ее дислокации, при этом, имея избыточную информацию от различных глобальных навигационных систем, вычисляют координаты ЛККС по радиосигналу НС этих систем и сравнивают их с точными реальными координатами дислокации ЛККС, на основании чего вырабатывают поправки к рассчитанным кодам псевдодальности.

Недостатком известного способа является отсутствие в нем учета влияния ионосферы, при возмущении которой при повышении активности солнца и космических излучений, вырастают погрешности кодов псевдодальности и падает точность измерения координат ЛККС и поправок к кодам псевдодальности, а также отсутствие самоконтроля ЛККС.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ определения недопустимой аномалии принимаемых сигналов навигационных спутников» [патент №2393504, МПК G01S 19/07 от 23.10. 2008 г.], характеризующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности.

Недостатком известного способа-прототипа является то, что он не учитывает влияние ионосферы, изменяющей свою электрическую проводимость в зависимости от времени суток и года, но главное - от активности солнца и космических лучей, на изменяющиеся условия прохождения радиосигналов НС, т.е. на важнейший параметр спутниковой навигации - код псевдодальности.

В зависимости от степени ионизации пространства, через которое проходят радиосигналы НС (точнее - периодические радиопосылки, представляющие собой ограниченные во времени излучения несущей радиочастоты, промодулированные закодированной информацией о точном времени излучения радиопосылки, номере НС и др.), изменяются условия прохождения и, самое главное, - время прохождения радиосигнала. Путь радиосигнала от НС, находящихся на высоте 20000 км от земли, до ЛККС, находящейся на земле, практически проходит через ионосферу (кроме 50-60 км, смежных с землей), сильно изменяющей свой атомно-молекулярный состав под действием солнечных и космических лучей; в результате ионизации образуются отрицательные свободные электроны, положительные ионы и нейтральные частицы. Наиболее сильное влияние на радиосигнал оказывают электроны, грубо говоря, искривляющие путь радиосигнала, несколько увеличивая его и соответственно увеличивая время прохождения радиосигнала от момента его излучения (содержится в радиопосылке) до момента его приема спутниковым навигационным приемником на земле (определяется с помощью часов спутникового навигационного приемника, синхронизированных с атомными часами НС). Проще говоря, время прохождения радиосигнала от НС до приемника (несколько десятков МС в зависимости от удаленности конкретного НС от приемника) и есть код псевдодальности. Имея в приемнике такие коды от трех различных спутников, однозначно вычисляется точка нахождения приемника на земле (в виде географических или других координат).

Но из-за ионизации пространства и искривления пути радиосигнала точность известного способа ухудшается от долей метра (в отсутствии ионизации) до десятков и даже сотен метров, что не желательно для безопастности движения воздушных судов (ВС) гражданской авиации.

Техническим результатом и целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа за счет обеспечения обнаружения и вычисления величины погрешности влияния ионосферы на коды псевдодальности путем использованного дополнительного к ЛККС выносного оборудования (ВО), принимающего также радиосигналы НС и позволяющего измерить и сопоставить полные фазы раниосигналов в разнесенных точках.

Указанные технический результат и цель достигаются тем, что способ повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы, характерезующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности, способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО), отнесенное от ЛККС на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соедененные антенный модуль и БСП для приема и обработки радиосигналов от НС, при этом один из приемников в БСП ЛККС и ВО используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов НС, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС в ЛККС и ВО обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС и зная расстояние между ЛККС и ВО, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности по измерениям полных фаз в разнесенных БСП, для чего значение полных фаз из ВО по соответствующему каналу передают в ВЧ ЛККС, где окончательно определяют погрешность влияния ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО и ЛККС, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в памяти ВЧ ЛККС.

На фиг.1 представлен эскиз, поясняющий осуществления способа.

Способ использует ЛККС 1 в составе антенного модуля 1.1, БСП 1.2, ВЧ 1.3, антенно-фидерного устройства (АФУ) 1.4 и передатчика 1.5 дифференциальных поправок, метеодатчиков 1.6 и ВО 2 в составе своих антенного модуля 2.1, БСП 2.2 и АФУ 2.3 и приемника 2.4 дифференциальных поправок, а также канал 3 связи.

Для пояснения показаны группа 4 НС, лучи 5 радиосигналов НС, лучи 6 радиосигналов дифференциальных поправок, земля 7 и ВС 8.

Способ повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью наземной локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) 1 (фиг.1) с учетом влияния аномальной ионосферы, характерезующийся тем, что ЛККС 1, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы 5 группы радиовидимых навигационных спутников (НС) 4 действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля 1.1, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) 1.2 и вычислителя (ВЧ) 1.3, при этом получают расчетные данные координат ЛККС1 для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС 1 вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС 4 соответствующих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ 1.3 использование некондиционных НС 4 до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ 1.3 полученные при использовании кондиционных НС 4 дифференциальные поправки 6 к кодам псевдодальности, и тем, что способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО) 2, отнесенное от ЛККС 1 на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соединенные антенный модуль 2.1 и БСП 2.2 для приема и обработки радиосигналов 5 от НС 4, при этом один из приемников в БСП 1.2 и 2.2 ЛККС1 и ВО 2 используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов 6 НС 4, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС 4 в ЛККС 1 и ВО 2 обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП 1.2 и 2.2 таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки 6 конкретного НС 4 и зная расстояние между Л ККС 1 и ВО 2, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности 6 по измерениям полных фаз в разнесенных БСП 1.2 и 2.2, для чего значение полных фаз из ВО 2 по соответствующему каналу 3 передают в ВЧ 1.3 ЛККС 1, где окончательно определяют погрешность влияния ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности 6 путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО 2 и ЛККС 1, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в памяти ВЧ 1.3 ЛККС 1.

Способ осуществляется следующим образом.

Пусть, например, ЛККС 1 и ВО 2 установлены в некотором аэропорту (в настоящее время ЛККС 1 работает во всех крупных аэропортах РФ, всего около 100) с выносом ВО 2 от ЛККС 1 на несколько сотен метров (имеющиеся реализации: от 200 до 6000 м). Для указанных разнесений антенные модули 1.1 и 2.1 принимают радиосигналы 5 практически от одних и тех же НС 4, которые проходят через один и тот же слой ионосферы.

Следует заметить, что ЛККС 1 обладает ценной и точной информацией состояния всех действующих в настоящее время глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, а теперь и китайской - КОМПАС), т.к. использует чувствительные приемники БСП 1.2 с резервированием и корреляционной обработкой радиосигналов 5 с относительно мощным вычислителем (ВЧ) 1.5, чего, естественно, в полной мере из-за весогабаритных ограничений не может позволить бортовое навигационное оборудование ВС 8. Поэтому основной задачей ЛККС 1 является выработка и передача на борт ВС 8 дифференциальных поправок (ДП) 6 к коду псевдодальности, что практически и осуществляют, например, с темпом выдачи ДП 2 раза в минуту в зоне действия ЛККС 1, например составляющей 250 км вокруг аэропорта. Причем в зоне действия ЛККС 1 выдают ДП 6 автоматически и сразу на все ВС 8, находящиеся в этой зоне через соответствующие передатчик 1.5 и АФУ 1.4 (фиг.1), например в УКВ-диапазоне. Принимаемые на ВС 8 через свои бортовые АФУ 2.3 и УКВ-приемник 2.4 ДП 6 используют для автоматического уточнения в бортовом спутниковом навигационном приемнике, расчитывающем коды псевдодальностей для данного ВС 8 (а, следовательно, - его координаты местоположения в пространстве) без участия пилота, который видит лишь уточнение курса полета (на фиг.1 не показано бортовое оборудование, т.к. это выходит за рамки данной заявки).

Сказанное выше относится, главным образом, к работе известного прототипа и приводится для большей ясности заявленного изобретения. Причем без учета аномалий ионосферы, влияющих на точность кодов псевдодальностей, падающей, в худшем случае, на сотни метров.

Собственно способ данной заявки состоит в выявлении и оценке возникающих аномалий ионосферы, причем не только для своевременных уточнений через ДП 6 кодов псевдодальностей для ВС 8, но и для многих других задач, например для выбора места дислокации ЛККС 1 и др.

Для выявления и оценки возникающих аномалий в ионосфере в способе используют ВО 2, отнесенное от ЛККС 1 на несколько сотен метров (в зависимости от возможностей данного аэропортана 200-6000 м, не принципиально), имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации (первоначально с помощью геодезических приборов с установкой соответствующего геодезического колышка, а затем в процессе работы ВО 2 совместно с ЛККС 1 эти координаты уточняют собственными средствами). ВО 2 содержит свои последовательно соединенные антенный модуль 2.1 и БСП 2.2 для приема и обработки радиосигналов 5 от НС 4. Важно подчеркнуть, что один из приемников в БСП 2.2 ВО 2 и в БСП 1.2 ЛККС 1 используют в режиме фазовых измерений принимаемых радиосигналов 5 от НС 4, т.е, говоря более точно, определения количества полных фаз или их долей (или периодов или их долей), укладывающихся от конкретного НС 4 до конкретного спутникового приемника (т.е. БСП 1.2 и 2.2) несущей радиочастоты соответствующего радиосигнала НС 4 (точнее, радиопосылки с ограниченой длиной). На используемых несущих частотах радиосигналов НС 4 с точностью до сантиметра достаточно подсчитывать полные фазы (периоды). Одновременно принимаемые радиосигналы 5 от кондиционных конкретных НС 4 в разнесенных БСП 1.2 и 2.2 обрабатывают таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС 4 и зная расстояние между ЛККС 1 и ВО 2 (или их координаты дислокации), определяют в единицах измерения длины (в сантиметрах или метрах) погрешность влияния ионосферы на значение кода псевдодальности. Говоря проще, за счет искривления луча 5 радиопосылки от НС 4 (влияют свободные электроны ионизированной области) происходит удлинение его пути и соответствующий набег фаз. Причем чем больше аномалия ионосферы, тем больше искривление луча 5 и тем больше набег фаз. Измерения из ВО 2 по каналу 3 передают в ВЧ 1.3 ЛККС 1, где сравниваются соответствующие пары измерений в ВО 2 и ЛККС 1 для одних и тех же НС 4 и одних и тех же моментов времени и определяют степень влияния ионосферы на коды псевдодальности. Кроме того, в ВЧ 1.3 осуществляют статистическую обработку с наблюдениями на заданных интервалах времени, в т.ч. суточных и сезонных, формируют вектор перемещения аномалии ионосферы и запоминают результаты для дальнейшего использования.

При этом в БСП 1.2 и 2.2 может использоваться различное количество приемников, что влияет на надежность и качество работы и не меняет сути способа. Аналогично в способе могут быть использованы метеодатчики 1.6 температуры, влажности и давления воздуха в зоне дислокации ЛККС 1 и ВО 2. В способе могут быть использованы многочастотные радиосигналы НС 4 (в настоящее время спутники излучают в каждой посылке две частоты, а в будущем возможно 3 и более частот.) При двухчастотном режиме БСП 1.2 и 2.2 устанавливают соответствующие приемники и получают примерно в два раза более точные измерения.

Способ обладает дополнительным положительным эффектом самоконтроля. При этом дополнительно к описанным выше процессам добавляется прием в ВО 2 из ЛККС 1 ДП 6 (через передатчик 1.5, АФУ 1.4, радиоканал 6 и АФУ 2.3 в приемник 2.4), которые периодически, например через 30 секунд, выдаются в эфир для ВС 8 (фиг.1) и учитывают в каждый момент времени состояния спутниковой погоды (в ЛККС 1 путем сопоставления работы НС 4 различных глобальных навигационных спутниковых систем выявляют и в дальнейшем используют только кондиционные НС 4) и аномалий ионосферы. Причем, принимая ДП 6 в приемник 2.4, ВО 2 является имитатором ВС 8, но в отличие от последнего имеет точные выверенные и неизменные свои координаты дислокации. Далее в БСП 2.2 корректируют рассчитанные в нем коды псевдодальности в соответствии с полученной в данный момент времени ДП 6, а результаты передают по каналу 3 в ВЧ 1.3, где по ним рассчитывают координаты ВО 2 и сравнивают их с эталонными заранее известными выверенными координатами дислокации ВО 2. При совпадении этих значений в допуске констатируют исправную работу ЛККС 1 и ВО 2 и правильность выработки ДП 6. В противном случае по радиоканалу ДП 6 для ВС 8 выдают запрет на использование ДП 6 до реабилитации в последующих циклах контроля.

Формула изобретения

1. Способ повышения точности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы, характеризующийся тем, что наземная стационарная ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых навигационных приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными данными координат дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствуяющих навигационных спутниковых систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют, выдают на воздушные суда (ВС) и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки к кодам псевдодальности, отличающийся тем, что способ использует дополнительное выносное оборудование (ВО), отнесенное от ЛККС на несколько сотен метров, имеющее заранее точно определенные координаты своей дислокации и содержащее свои последовательно соединенные антенный модуль и БСП для приема и обработки радиосигналов от НС, при этом один из приемников в БСП ЛККС и ВО используют для фазовых измерений принимаемых радиосигналов НС, одновременно принимаемые радиосигналы от кондиционных НС в ЛККС и ВО обрабатывают независимо друг от друга на приемниках своих БСП таким образом, что, зная частоту и фазу излучения радиопосылки конкретного НС и, зная расстояние между ЛККС и ВО, определяют в единицах измерения длины погрешность влияния ионосферы на значение псевдодальности по измерениям полных фаз в разнесенных БСП, для чего значение полных фаз из ВО по соответствующему каналу передают в ВЧ ЛККС, где окончательно определяют погрешность влияний ионосферы на текущий момент времени на значение псевдодальности путем сравнения соответствующих фазовых измерений, полученных в ВО и ЛККС, затем осуществляют статистическую обработку на заданном интервале времени и формируют вектор перемещения ионосферной аномалии, полученные результаты запоминают в ВЧ ЛККС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в БСП ЛККС и ВО используют n приемников при n=1, 2. 3, …

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в ЛККС и ВО принимают и обрабатывают x-частотные радиосигналы НС при x=1, 2, 3, …

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем учитывают данные метеодатчиков температуры, влажности и давления воздуха в зоне действия ЛККС.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процедуру определения погрешности кода псевдодальности от влияния ионосферы повторяют несколько раз и усредняют погрешность.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют самоконтроль ЛККС и ВО, для чего выдаваемые в эфир из ЛККС с помощью радиопередатчика для ВС дифференциальные поправки принимают через соответствующий радиоканал в ВО и с помощью его БСП учитывают в значениях псевдодальностей, принимаемых через свой антенный модуль от текущих радиовидимых кондиционных НС, по которым рассчитывают координаты местоположения ВО с учетом влияния ионосферы, а затем сравнивают рассчитанные координаты с реальными координатами дислокации ВО, результаты сравнения передают по соответствующему каналу в ВЧ ЛККС для регистрации и последующего анализа, при превышении допуска различия рассчитанных и реальных координат местоположения ВО констатируют отрицательный результат контроля, в связи с чем по радиоканалу дифференциальных поправок из ЛККС передают для ВС команду о временном запрете использования дифференциальных поправок, далее повторяют процедуры контроля ЛККС и ВО, мониторинга кондиции глобальных навигационных спутниковых систем и выработки новых дифференциальных поправок, которые вновь разрешают для использования ВС при непревышении указанного выше допуска.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ЛККС используют любую другую станцию, принимающую радиосигналы НС и обрабатывающую их с помощью аналогичных БСП и ВЧ, в т.ч. - второе ВО с ВЧ.

Изобретение "СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ЛОКАЛЬНОЙ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ СТАНЦИИ (ЛККС) С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АНОМАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ" (Завалишин Олег Иванович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога