СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Название	СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Разработчик (Авторы)	Пономарев В.А., Бахолдин В.С.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2157547
Дата регистрации	24.09.1999
Правообладатель	Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского

Описание изобретения

Изобретение относится к области навигации и может использоваться при разработке и модернизации аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой осуществляется измерение псевдодальностей до навигационных спутников по фазе несущих частот.

Применение СРНС для высокоточной навигации, определения ориентации потребителя в пространстве и геодезических работ требует специальных способов обработки навигационных радиосигналов - фазовых измерений на несущих частотах (НЧ). Это позволяет измерять псевдодальности до навигационных искусственных спутников земли (НИСЗ) с ошибкой менее одного сантиметра и получить точность навигационных определений (НО) порядка единиц сантиметров. Основной проблемой, возникающей при таких измерениях, является проблема устранения неоднозначности фазовых измерений, то есть проблема согласования шкал измерений на фазах НЧ и шкалы измерений на фазе дальномерного кода (ДК).

Условие согласования шкал для СРНС заключается в том, что удвоенная погрешность измерения фазы ДК, выраженная в метрах, должна быть меньше длины волны НЧ, на которой производятся измерения фазы. Ошибка измерения фазы ДК может быть определена по формуле:

где Δ - длительность элемента ДК в метрах, C/N₀ - отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума на входе приемника, а B_ССЗ - эквивалентная шумовая ширина полосы схемы слежения за задержкой ДК. Длительность элемента кода высокой точности в СРНС ГЛОНАСС составляет 58,71 м, а в НАВСТАР - 29,32 м. Эквивалентная шумовая ширина полосы в современных образцах аппаратуры потребителя типа Бриз (СН-3601, СН-3706) составляет 1 Гц. При отношении сигнал/шум 40 дБГц, ошибки измерения фазы ДК составляют 0,42 м и 0,21 м для ГЛОНАСС и НАВСТАР соответственно. Таким образом, условие согласования шкал не выполняется и возникает проблема неоднозначности фазовых измерений, заключающаяся в нахождении целого числа длин волн, укладывающихся в измеряемой псевдодальности, и последующего вычисления псевдодальности с точностью до фазы НЧ.

Известен способ разрешения неоднозначности путем дополнительных измерений на разности несущих частот [1, стр.306], в котором диапазон однозначных измерений расширяется за счет использования синтезированной длины волны  где С - скорость света, а f₁ и f₂ - несущие частоты. Этот способ обеспечивает увеличение диапазона приблизительно в 4,5 раза на длине волны λ₁, однако снижает точность и надежность фазовых измерений и может применяться только при достаточно высоком отношении сигнал/шум, когда ошибка измерения фазы ДК не превышает диапазон однозначного измерения фаз.

Известны также способы разрешения неоднозначности на основе минимума среднеквадратической погрешности места определения [1, стр.306], метода наименьших квадратов и функции неоднозначности [2, стр. 132], являющиеся частными случаями метода максимального правдоподобия. Все эти методы требуют избыточной информации, получаемой за счет увеличения числа измерителей и времени получения измерений, что приводит к усложнению аппаратуры потребителя и снижению надежности НО.

Целью изобретения является разрешение неоднозначности фазовых измерений в СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, повышение надежности НО при измерениях по фазе НЧ и улучшение массогабаритных характеристик аппаратуры потребителя СРНС.

Предлагаемый способ разрешения неоднозначности фазовых измерений заключается в том, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении  c погрешностью  измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ - длины волн на НЧ f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн  и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на НЧ f₁

и f₂

с точностью до фазы несущей.

Выбранное отношение НЧ позволяет расширить диапазон однозначного измерения фаз в 9 раз на частоте f₁ и в 7 раз на частоте f₂ путем синтеза волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел [3] . Такое расширение диапазона позволяет разрешать неоднозначность при более низком отношении сигнал/шум, обеспечить согласование измерительных шкал при более широкой эквивалентной шумовой полосе схемы слежения за задержкой и не требует дополнительных измерений. Технический результат заключается в расширении диапазона однозначного измерения фаз и определении псевдодальностей до НИСЗ с точностью до фаз несущих частот.

Предложенный способ разрешения неоднозначности фазовых измерений отличается тем, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении  с погрешностью  измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ - длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн  и оценку целого числа длин волн  укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на несущих частотах f₁ и f₂ c точностью до фазы несущей.

Изобретение основано на использовании фазовых измерений на двух НЧ, измерений псевдодальности с использованием ДК высокой точности, синтеза дополнительной длины волны и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел.

Предложенный способ разрешения неоднозначности может быть реализован в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой измеряются фазы несущих частот (например, Бриз СН-3601, СН-3706). В этой аппаратуре измерения фаз НЧ выполняются с погрешностью 4 мм, что составляет приблизительно 0,022 фазового цикла. Для ГЛОНАСС отношение НЧ является точным  а для системы НАВСТАР точное отношение  с использованием алгоритма Евклида для нахождения подходящих дробей, аппроксимируется отношением  с погрешностью  Такая аппроксимация позволяет унифицировать способ разрешения неоднозначности для СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР и выполнить условие согласования НЧ между собой.

Источники информации:
1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы /B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич и др.: Под ред. B.C. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993.-408 с.

2. Frank van Graas GNSS Augmentation for High Precision Navigation Services. //AGARD- LS-207, FRANCE, 1996, 128-141 c.

3. Виноградов И.М. Основы теории чисел, Москва, 1953. - 180 с.

Формула изобретения

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем, отличающийся тем, что на двух несущих частотах f₁ и f₂, находящихся в отношении  с погрешностью  измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до π, с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ_o= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов длины волны λ₁

и число периодов волны λ₂

заключенных в синтезированной длине волны Λ_o, где λ₁ и λ₂ длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа Х, а L≡Y modZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя дальномерный код высокой точности, измеряют псевдодальности R_к до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₁ и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_к, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности и сами псевдодальности на несущих частотах f₁
 и f₂ с точностью до фазы несущей.

Изобретение "СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ" (Пономарев В.А., Бахолдин В.С.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога