RU2431803C1 - Method of automated detection of navigation topogeodetic parameters - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument making. ^ SUBSTANCE: method includes provision of information on navigation parameters from inertial and satellite navigation systems by means of combined or selective modes of operation in fields of various space navigation systems, interconnecting of signals of satellite and inertial navigation systems, as a result of which corrected parameters of navigation are found, as well as values of errors generated by the inertial navigation system. Interconnecting is carried out with account of information on parameters of location area point elevations on the route of the mobile object. Then error values are sent into the inertial navigation system to correct navigation parameters it generates in subsequent moments of time. Correction is made in the mode of a reference control-correction station, having its own mathematical software. ^ EFFECT: increased accuracy and efficiency of navigation systems. ^ 6 dwg

Description

Изобретение относится к области навигации и топопривязки, в частности к способам инерциально-спутниковой навигации и определения топогеодезических данных, и предназначено для определения навигационно-топогеодезических параметров для наземных подвижных объектов.The invention relates to the field of navigation and topographic location, in particular to methods of inertial-satellite navigation and determination of topographic and geodetic data, and is intended to determine the navigation and topographic and geodetic parameters for ground moving objects.

Известен способ определения параметров навигации (см. патент №2338160 С1, G01С 23/00, опубл. 10.11.2008 г.), принятый за прототип. Способ заключается в осуществлении комплексирования сигналов спутниковой и инерциальной навигационных систем. Определяют скорректированные параметры навигации и величины ошибок значений, вырабатываемых инерциальной навигационной системой. Осуществляют передачу величин этих ошибок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ею в последующие моменты времени параметров навигации. Комплексирование осуществляют на основе информации от одного навигационного спутника. Находят скорректированные параметры навигации, а разницу между текущими параметрами навигации, вырабатываемыми инерциальной навигационной системой и скорректированными значениями параметров навигации, принимают за величины ошибок инерциальной навигационной системы.A known method for determining navigation parameters (see patent No. 2338160 C1, G01C 23/00, published on November 10, 2008), adopted as a prototype. The method consists in implementing the integration of signals from satellite and inertial navigation systems. The adjusted navigation parameters and error values of the values generated by the inertial navigation system are determined. The values of these errors are transferred to the inertial navigation system to correct the navigation parameters generated by it at subsequent time instants. Integration is carried out on the basis of information from one navigation satellite. The adjusted navigation parameters are found, and the difference between the current navigation parameters generated by the inertial navigation system and the adjusted values of the navigation parameters is taken as the error values of the inertial navigation system.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- отсутствие возможности работы в полях различных космических навигационных систем;- lack of ability to work in the fields of various space navigation systems;

- недостаточная точность и надежность работы навигационной системы, не обеспечивающей доступность, непрерывность и целостность навигационных определений по сигналам навигационных космических аппаратов;- insufficient accuracy and reliability of the navigation system, which does not ensure the availability, continuity and integrity of navigation definitions based on signals from navigation spacecraft;

- отсутствие возможности использования сигналов различных космических навигационных систем в совместном режиме и в режиме селективного доступа;- the inability to use the signals of various space navigation systems in a joint mode and in selective access mode;

- отсутствие возможности коррекции навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов;- lack of correction of navigation information coming from navigation spacecraft;

- отсутствие возможности выдачи параметров навигации, топопривязки и корректирующей информации от навигационных космических аппаратов внешним потребителям;- the lack of the possibility of issuing navigation parameters, topographic location and corrective information from navigation spacecraft to external consumers;

- отсутствие возможности работы навигационной системы, реализующей данный способ, в режиме опорной контрольно-корректирующей станции;- the inability to operate a navigation system that implements this method in the mode of a reference control and correction station;

- отсутствие информации по определению высоты точек местности на маршруте подвижного объекта относительно исходного пункта маршрута движения с известным значением высоты над уровнем моря;- lack of information on determining the height of terrain points on the route of a moving object relative to the starting point of the route with a known value of altitude

- отсутствие возможности автоматической прокладки маршрута по заданным точкам, выбираемым с учетом рельефа местности, погодных условий, времени года и суток;- the lack of the ability to automatically route along specified points, selected taking into account the topography, weather conditions, time of year and day;

- отсутствие четкого алгоритма работы системы навигации в целом;- lack of a clear algorithm for the operation of the navigation system as a whole;

- низкий уровень автоматизации принятия решений аппаратурой навигационной системы, реализующей данный способ;- low level of decision-making automation by the navigation system equipment that implements this method;

- отсутствие возможности реализации сервисных задач.- lack of ability to implement service tasks.

Предлагаемым изобретением решается задача по повышению точности и эффективности системы инерциально-спутниковой навигации и расширению ее функциональных возможностей.The present invention solves the problem of improving the accuracy and efficiency of the inertial-satellite navigation system and expanding its functionality.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании способа автоматизированного определения навигационно-топогеодезических параметров, обеспечивающего автоматизированный режим определения и регистрации выходных навигационных данных в соответствии с алгоритмом функционирования системы в целом, возможность совместного и селективного режимов работы в полях различных космических навигационных систем, достижение высокой точности и надежности с учетом информации по определению высоты точек местности на маршруте за счет доступности, непрерывности обслуживания и целостности навигационных определений по сигналам навигационных космических аппаратов, коррекцию навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, в режиме опорной контрольно-корректирующей станции, реализацию сервисных задач по топогеодезическому обеспечению и выдачу выходных параметров навигации и корректирующей информации от навигационных космических аппаратов внешним потребителям.The technical result obtained by carrying out the invention consists in the formation of a method for the automated determination of navigation and topographic and geodetic parameters, which provides an automated mode for determining and recording output navigation data in accordance with the algorithm for the functioning of the system as a whole, the possibility of joint and selective modes of operation in the fields of various space navigation systems, achieving high accuracy and reliability, taking into account information on determining the height of points m stagnation on the route due to the availability, continuity of service and the integrity of navigation definitions from signals from navigation spacecraft, correction of navigation information received from navigation spacecraft, in the mode of a reference control and correction station, implementation of service tasks related to topographic and geodetic support and delivery of output navigation parameters and corrective information from navigation spacecraft to external consumers.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе автоматизированного определения навигационно-топогеодезических параметров, включающем получение информации о параметрах навигации от инерциальной и спутниковой навигационных систем, комплексирование сигналов спутниковой и инерциальной навигационных систем, в результате которого находят скорректированные параметры навигации и величины ошибок значений, вырабатываемых инерциальной навигационной системой, передачу величин этих ошибок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ей в последующие моменты времени параметров навигации, новым является то, что прием спутниковой навигационной информации осуществляется путем совместного или селективного режимов работы в полях различных космических навигационных систем, комплексирование проводится с учетом информации о параметрах высоты точек местности на маршруте подвижного объекта, одновременно в инерциальной навигационной системе проводится коррекция навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемая в режиме опорной контрольно-корректирующей станции, имеющей собственное программно-математическое обеспечение, реализация способа осуществляется в автоматизированном режиме в соответствии с алгоритмом функционирования (специальным программным обеспечением), охватывающим все элементы системы в целом, выполненным с возможностью осуществления автоматической прокладки маршрута по заданным точкам, реализации сервисных задач по топогеодезическому обеспечению и выдачи выходных параметров навигации и корректирующей информации по сигналам навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных.The specified technical result is achieved in that in the proposed method for the automated determination of navigation and topographic and geodetic parameters, including obtaining information about navigation parameters from inertial and satellite navigation systems, combining signals from satellite and inertial navigation systems, as a result of which the adjusted navigation parameters and error values of values are found, generated by an inertial navigation system, transferring the values of these errors to inertial navigation a navigation system for correcting navigation parameters developed by it at subsequent instants of time, it is new that satellite navigation information is received by means of joint or selective modes of operation in the fields of various space navigation systems, the integration is carried out taking into account information about the height parameters of terrain points along the route of a moving object , at the same time in the inertial navigation system, the correction of the navigation information coming from the navigation space devices running in the mode of the reference control and correction station, which has its own mathematical software, the implementation of the method is carried out in an automated mode in accordance with the functioning algorithm (special software), covering all elements of the system as a whole, configured to automatically route at given points, the implementation of service tasks on topographic and geodetic support and the issuance of output navigation parameters and information on the signals of navigation spacecraft to external consumers via an autonomous data transmission channel.

Обеспечение приема спутниковой навигационной информации путем совместного или селективного режимов работы в полях различных космических навигационных систем позволяет:Ensuring the reception of satellite navigation information through joint or selective modes of operation in the fields of various space navigation systems allows:

- производить автоматическое определение (расчет) трех текущих координат местоположения, вектора путевой скорости, азимута движения подвижного объекта, дирекционного угла и текущего времени;- make automatic determination (calculation) of the three current coordinates of the location, the vector of the ground speed, the azimuth of the moving object, the directional angle and the current time;

- вести автоматический поиск, прием и обработку радиосигналов, излучаемых навигационными космическими аппаратами:- conduct automatic search, reception and processing of radio signals emitted by navigation spacecraft:

1) космической навигационной системы ГЛОНАСС;1) GLONASS space navigation system;

2) космической навигационной системы GPS;2) space navigation system GPS;

3) по совмещенной группировке навигационных космических аппаратов этих систем;3) by a combined grouping of navigation spacecraft of these systems;

- вести автоматическую работу одновременно по радиосигналам 12 навигационных космических аппаратов (ГЛОНАСС и/или GPS);- conduct automatic work simultaneously on the radio signals of 12 navigation spacecraft (GLONASS and / or GPS);

- вести автоматический прием, хранение, обновление альманахов систем ГЛОНАСС и GPS;- to automatically receive, store, update the almanacs of GLONASS and GPS systems;

- получать отображение текущих координат местоположения в виде геодезических эллипсоидальных (В, L, Н) или в виде плоских прямоугольных в проекции Гаусса-Крюгера;- get a display of the current location coordinates in the form of geodesic ellipsoidal (B, L, H) or in the form of flat rectangular in the Gauss-Kruger projection;

- в зависимости от качества данных по той или иной навигационной системе автоматически выбирать режим работы;- depending on the quality of data for a particular navigation system, automatically select an operating mode;

- за счет совместного использования GPS и ГЛОНАСС:- due to the joint use of GPS and GLONASS:

1) фактически увеличить суммарное количество видимых спутников, расширить зону перекрытия навигационным сигналом;1) actually increase the total number of visible satellites, expand the coverage area with a navigation signal;

2) т.к. GPS и ГЛОНАСС работают в разных частотных диапазонах, повысить устойчивость совместного приемника к вероятному узкочастотному глушению навигационного сигнала;2) since GPS and GLONASS operate in different frequency ranges, increase the stability of the joint receiver to the probable narrow-frequency jamming of the navigation signal;

3) обеспечить доступность, непрерывность обслуживания и целостность навигационных определений по сигналам навигационных космических аппаратов;3) to ensure the availability, continuity of service and the integrity of navigation definitions based on signals from navigation spacecraft;

- в конечном итоге повысить точность и надежность навигационных определений, в т.ч. в экстремальных ситуациях.- ultimately improve the accuracy and reliability of navigation definitions, including in extreme situations.

Проведение комплексирования поступающей навигационной информации с учетом информации о параметрах высоты точек местности на маршруте подвижного объекта позволяет:Aggregation of the incoming navigation information, taking into account information about the height parameters of terrain points along the route of a moving object, allows you to:

- производить автоматическое определение высоты точек местности на маршруте относительно исходного (начального) пункта маршрута;- make automatic determination of the height of terrain points on the route relative to the starting (starting) point of the route;

- использовать полученную информацию для получения окончательных навигационных и топогеодезических параметров;- use the information obtained to obtain the final navigation and topographic and geodetic parameters;

- повысить точностные характеристики окончательной навигационной информации.- improve the accuracy characteristics of the final navigation information.

Осуществление коррекции навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемой в режиме опорной контрольно-корректирующей станции, позволяет:The implementation of the correction of navigation information received from the navigation spacecraft, performed in the mode of the reference control and correction station, allows you to:

- вести измерение по всем видимым навигационным космическим аппаратам ГЛОНАСС и GPS разности между моментом приема фрагмента сигнала, отсчитанным по шкале времени приемника, и моментом излучения его спутником, отсчитанным по шкале спутника, умноженной на скорость света (псевдодальностей) с их временной привязкой к системной шкале ГЛОНАСС (GPS);- measure all visible GLONASS and GPS navigational spacecraft the difference between the moment of receiving a signal fragment, measured on the receiver’s time scale, and the moment of emission by its satellite, calculated on the satellite’s scale, multiplied by the speed of light (pseudorange) with their time reference to the system scale GLONASS (GPS);

- вести непрерывный мониторинг целостности систем ГЛОНАСС и GPS (контроль качества их навигационных полей);- conduct continuous monitoring of the integrity of GLONASS and GPS systems (quality control of their navigation fields);

- вести формирование, регистрацию и выдачу потребителю информации о качестве навигационных полей и качестве корректирующей информации;- conduct the formation, registration and issuance to the consumer of information on the quality of navigation fields and the quality of corrective information;

- в конечном итоге повысить точность и надежность навигационных определений.- ultimately improve the accuracy and reliability of navigation definitions.

Собственное программно-математическое обеспечение опорно-корректирующей станции позволяет:Own software and mathematical support of the reference correction station allows you to:

- осуществлять управление составными частями опорно-корректирующей станции;- to manage the components of the reference correction station;

- в соответствии с программой расчета видимости отображать в графическом и цифровом виде параметры навигационных спутниковых систем для планирования возможных навигационных сеансов и расчета зон видимости каждого отдельного навигационного космического аппарата;- in accordance with the visibility calculation program, display the parameters of navigation satellite systems in graphical and digital form for planning possible navigation sessions and calculating the visibility zones of each individual navigation spacecraft;

- в соответствии с программой апостериорной обработки производить вычисление оценки местоположения опорно-корректирующей станции.- in accordance with the program a posteriori processing to calculate the location estimates of the reference correction station.

Реализация способа в автоматизированном режиме в соответствии с алгоритмом функционирования (специальным программным обеспечением), охватывающим все элементы системы в целом, позволяет:The implementation of the method in an automated mode in accordance with the functioning algorithm (special software), covering all elements of the system as a whole, allows you to:

- обеспечить автоматический прием и обработку навигационной информации, поступающей от инерциальной и спутниковой навигационных систем, комплексирование их сигналов, получение скорректированных параметров навигации и величины ошибок, передачу величин этих ошибок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ею в последующие моменты времени параметров навигации;- to provide automatic reception and processing of navigation information coming from inertial and satellite navigation systems, combining their signals, receiving adjusted navigation parameters and error values, transferring the values of these errors to the inertial navigation system to correct the navigation parameters generated by it at subsequent times;

- обеспечить работу с геодезической информационной системой "Интеграция", позволяющей работать с цифровой картой местности и осуществлять автоматическую прокладку маршрута по заданным точкам;- to ensure work with the geodetic information system "Integration", which allows you to work with a digital map of the area and automatically route along specified points;

- осуществить координацию работы всех систем, контроль технического состояния, режим технического обслуживания и автоматический обмен информацией с потребителями по автономному каналу передачи данных;- to coordinate the operation of all systems, control the technical condition, maintenance mode and automatic exchange of information with consumers through an autonomous data transmission channel;

- исключить в максимальной мере влияние «человеческого фактора» на получение окончательных навигационных параметров;- to exclude to the maximum extent the influence of the “human factor” on obtaining the final navigation parameters;

- обеспечить архивирование всей получаемой и обработанной информации.- provide archiving of all received and processed information.

Осуществление по данному способу автоматической прокладки маршрута по заданным точкам позволяет:The implementation of this method of automatically plotting a route at specified points allows you to:

- обеспечить для предварительной оценки предполагаемого маршрута просмотр установленных цифровых карт местности;- provide for a preliminary assessment of the proposed route viewing the installed digital maps of the area;

- определить местоположение (координаты и высоту) подвижного объекта по цифровой карте местности и выбрать маршрут движения;- determine the location (coordinates and height) of the moving object on a digital map of the area and choose a route of movement;

- определить координаты любой точки на цифровой карте местности;- determine the coordinates of any point on a digital map of the area;

- определить оптимальный вариант маршрута движения с учетом рельефа местности, погодных условий, времени года и суток.- determine the best option for the route of movement, taking into account the terrain, weather conditions, time of year and day.

Осуществление возможности реализации сервисных задач по топогеодезическому обеспечению позволяет:The implementation of the possibility of implementing service tasks for surveying provides:

- производить автоматическое выполнение математических расчетов для решения прикладных топогеодезических задач;- perform automatic mathematical calculations to solve applied topographic and geodetic problems;

- расширить функциональные возможности системы навигации и топопривязки.- expand the functionality of the navigation system and topographic location.

Выдача выходных параметров навигации и корректирующей информации от навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных позволяет:The output of navigation parameters and corrective information from navigation spacecraft to external consumers via an autonomous data transmission channel allows:

- обеспечить информационный обмен скорректированной навигационной информацией между системой навигации и топопривязки подвижного объекта и сопрягаемыми объектами;- to provide information exchange of corrected navigation information between the navigation system and topographic location of a moving object and mating objects;

- обеспечить совместимость с техническими средствами взаимодействующих объектов;- ensure compatibility with the technical means of interacting objects;

- обеспечить автоматизированное плановое распределение навигационной информации по всем абонентам;- provide automated planned distribution of navigation information to all subscribers;

- расширить зону обслуживания и сократить количество средств навигации и топогеодезического обеспечения, работающих в одно районе.- expand the service area and reduce the number of navigation aids and surveying support operating in one area.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.Technical solutions with features distinguishing the claimed solution from the prototype are not known and do not follow explicitly from the prior art. This suggests that the claimed solution is new and has an inventive step.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема алгоритма реализации данного способа; на фиг.2 - примерный график распределения ожидаемого количества видимых на небосклоне спутников при использовании двух космических навигационных систем; на фиг.3 - схема комплексирования навигационной информации; на фиг.4 - пример, график результатов расчета временных зон видимости навигационных космических аппаратов; на фиг.5 - пример, график расчета геометрического фактора; на фиг.6 - пример, график оценки распределения величин поправок в псевдодальность.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a diagram of an algorithm for implementing this method; figure 2 is an exemplary graph of the distribution of the expected number of satellites visible in the sky when using two space navigation systems; figure 3 - scheme of integration of navigation information; figure 4 is an example, a graph of the results of the calculation of time zones of visibility of navigation spacecraft; figure 5 is an example, a graph for calculating a geometric factor; Fig.6 is an example, a graph for assessing the distribution of the magnitude of the amendments to the pseudorange.

Алгоритм реализации способа автоматизированного определения навигационно-топогеодезических параметров реализуется следующим образом.The algorithm for implementing the method for the automated determination of navigation and topographic and geodetic parameters is implemented as follows.

1. На первоначальном этапе для повышения точности и надежности (доступности, непрерывности обслуживания и целостности) навигационных определений спутниковых навигационных систем (СНС) выбирается режим взаимодействия системы навигации с навигацинными полями ГЛОНАСС и GPS. Сигналы ГЛОНАСС и GPS используются совместно (по умолчанию), а введение селективного доступа по системе GPS отслеживается программным детектором таксонометрическим методом с учетом весовых коэффициентов, и в зависимости от характера погрешности для группировки GPS и качества данных по ГЛОНАСС СНС автоматически либо переключается в режим работы только по группировке ГЛОНАСС либо рассчитывает эти ошибки для навигационных космических аппаратов системы GPS и компенсирует их при дальнейшей работе по совместной группировке.1. At the initial stage, to improve the accuracy and reliability (availability, continuity of service and integrity) of the navigation definitions of satellite navigation systems (SNA), the interaction mode of the navigation system with the GLONASS and GPS navigation fields is selected. GLONASS and GPS signals are used together (by default), and the introduction of selective access via GPS is monitored by the software detector using the taxonometric method taking into account the weighting factors, and depending on the nature of the error for GPS grouping and the quality of the GLONASS SNA data, it automatically or only switches to the operating mode by GLONASS grouping or calculates these errors for GPS navigation systems and compensates them for further work on a joint grouping.

СНС имеют высокий уровень технических характеристик, которые обеспечивают наибольшую точность временной и координатной привязки потребителей. Однако надежность и достоверность определения местоположения с помощью этих спутников зависит от степени их работоспособности в сложных условиях космического пространства на высотах над Землей до 20000 км.SNAs have a high level of technical characteristics that provide the greatest accuracy in time and coordinate referencing of consumers. However, the reliability and reliability of determining the location using these satellites depends on the degree of their operability in difficult space conditions at heights above the Earth of up to 20,000 km.

Уравнение для определения погрешности дальномерных измерений до навигационного спутника выглядит следующим образом:The equation for determining the error of range-finding measurements to the navigation satellite is as follows:

где δ_НС - погрешность формирования бортовой шкалы времени, вносимая на навигационном спутнике;where δ _NS - the error in the formation of the onboard time scale introduced on the navigation satellite;

δ_ТР - погрешность при прохождении сигнала на трассе распространения сигнала от спутника до антенны приемной аппаратуры потребителя;δ _TP - the error during the passage of the signal on the signal propagation path from the satellite to the antenna of the consumer receiving equipment;

δ_АП - погрешность, вносимая приемной аппаратурой потребителя;δ _AP - the error introduced by the receiving equipment of the consumer;

δ_ПР - прочие погрешности дальномерных измерений, имеющие в основном случайный характер.δ _PR - other errors of range-finding measurements, which are mostly random in nature.

Погрешность δ_НС обусловлена несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения навигационных спутников. Погрешности частотно-временного обеспечения возникают вследствие несовершенства процедур сверки и хранения бортовой шкалы времени. Эфемеридные погрешности навигационно-временных определений вызваны неточностью определения параметров орбиты и непрогнозируемыми смещениями спутника относительно экстраполированной орбиты.The error δ _NS due to the imperfection of the time-frequency and ephemeris support of navigation satellites. Errors in the time-frequency support arise due to imperfect procedures for reconciliation and storage of the on-board time scale. Ephemeris errors of navigation-time definitions are caused by inaccurate determination of orbit parameters and unpredictable satellite offsets relative to the extrapolated orbit.

Погрешность δ_ТР вызвана неточным знанием условий распространения радиоволн в атмосфере Земли. В атмосфере выделяют несколько слоев, отличающихся своими свойствами. Эти слои оказывают заметное влияние на качество навигационных измерений, которое проявляется в дополнительных задержках сигнала, возникающих из-за рефракции сигналов спутника (искривления трассы распространения радиоволн) при прохождении атмосферы Земли.The error δ _{TR is} caused by inaccurate knowledge of the propagation conditions of radio waves in the Earth’s atmosphere. In the atmosphere, several layers are distinguished that differ in their properties. These layers have a significant effect on the quality of navigation measurements, which is manifested in additional signal delays due to refraction of satellite signals (curvature of the propagation path of radio waves) during the passage of the Earth’s atmosphere.

К погрешности δ_АП, обусловленной аппаратурой потребителя, относится погрешность слежения за моментом прихода (временного положения) сигнала спутника.The error δ _AP due to consumer equipment includes the error in tracking the moment of arrival (temporary position) of the satellite signal.

В этом случае на первый план выступают энергетические характеристики СНС. Ослабление электромагнитных волн рассчитывается по известной формуле [Вестник Днепропетровского университета, серия «Физика. Радиотехника». 2007, вып.14, №12/1; Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. - М., - 2001, 336 с.:In this case, the energy characteristics of the SNA come to the fore. The attenuation of electromagnetic waves is calculated according to the well-known formula [Bulletin of the University of Dnepropetrovsk, series "Physics. Radio engineering". 2007, issue 14, No. 12/1; Lipkin I.A. Satellite navigation systems. - M., - 2001, 336 p.:

где R - расстояние между спутником и потребителем навигационной информации;where R is the distance between the satellite and the consumer of navigation information;

λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте.λ is the wavelength corresponding to the operating frequency.

Совместное использование ГЛОНАСС и GPS позволяет снизить влияние ослабления электромагнитных волн и обеспечивает повышение производительности работ. При совместной работе ГЛОНАСС и GPS минимальное количество видимых спутников возрастает, исчезают срывы инициализации, т.к. нет потери времени на ее возобновление, появляется возможность работать в ранее недоступных местах и в неблагоприятные временные периоды, при потере инициализации совместная система GPS+GLONASS повторно инициализируется быстрее, чем просто GPS или ГЛОНАСС. Примерный график распределения ожидаемого количества видимых на небосклоне спутников при использовании двух космических навигационных систем приведен на фиг.2.The combined use of GLONASS and GPS can reduce the effect of attenuation of electromagnetic waves and provides increased productivity. When GLONASS and GPS work together, the minimum number of visible satellites increases, initialization failures disappear, because there is no loss of time for its renewal, it becomes possible to work in previously inaccessible places and in unfavorable time periods, if the initialization is lost, the joint GPS + GLONASS system is reinitialized faster than just GPS or GLONASS. An approximate graph of the distribution of the expected number of satellites visible in the sky when using two space navigation systems is shown in figure 2.

2. На следующем этапе (в реальном режиме времени) осуществляется формирование и выдача автономной инерциальной навигационной информации (ИНИ). В основе автономного канала навигации лежит метод счисления пути (измерении пройденного расстояния) при известном (по компасу с хранителем) направлении, позволяющий получать непрерывную информацию о местоположении движущегося подвижного объекта.2. At the next stage (in real time mode), the formation and delivery of autonomous inertial navigation information (INI) is carried out. The autonomous navigation channel is based on the method of dead reckoning (measuring the distance traveled) with a known (by compass with the keeper) direction, which allows to obtain continuous information about the location of a moving moving object.

Ошибка определения координат объекта при помощи инерциальных навигационных систем складывается из методических и инструментальных погрешностей. Первые обусловлены неточным математическим описанием формы Земли, ее гравитационного поля, упрощением математического обеспечения, реализуемого в системе. Инструментальные ошибки вызваны погрешностями работы отдельных элементов системы (акселерометров, гироскопов). Общая погрешность системы рассматривается как сумма всех ее составляющих, если предположить, что они являются постоянными величинами, или как суммарная среднеквадратическая, если предположить, что они - случайные величины, где σ_xi(t) и σ_yj(t) - дисперсия отдельных составляющих погрешности, вызванные i-м и j-м источниками погрешностей, соответствующие моменту времени t:The error in determining the coordinates of an object using inertial navigation systems consists of methodological and instrumental errors. The first are due to an inaccurate mathematical description of the shape of the Earth, its gravitational field, simplification of the mathematical software implemented in the system. Instrumental errors are caused by errors in the operation of individual elements of the system (accelerometers, gyroscopes). The total error of the system is considered as the sum of all its components, if we assume that they are constant values, or as the total mean square, if we assume that they are random variables, where σ _xi (t) and σ _yj (t) are the variance of the individual error components caused by the ith and jth sources of errors corresponding to time t:

Результаты оценки погрешности системы показывают [Вестник Днепропетровского университета, серия «Физика. Радиотехника». 2007, вып.14, №12/1; Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем (в 2 ч.) / Под ред. Д.С.Пельпора. Учебное пособие для ВУ3ов. - М., 1977. - 216 с.], что ошибка возрастает пропорционально времени работы инерциальной навигационной системы (для движущегося объекта - пропорционально пройденному пути). Ошибка определения координат при движении подвижного объекта в течение длительного времени достигает значительной величины без корректировок при помощи специальных средств. Поэтому инерциальные навигационные системы нуждаются в корректировке показаний в процессе движения за счет привлечения информации от других источников (например, системы спутниковой навигации, системы определения параметров высоты, устройств, выдающих корректирующую информацию по самим космическим навигационным полям), обеспечив при этом непрерывность определения местоположения объекта.The results of the estimation of the error of the system are shown [Bulletin of the Dnepropetrovsk University, series “Physics. Radio engineering". 2007, issue 14, No. 12/1; Gyroscopic systems. Design of gyroscopic systems (in 2 hours) / Ed. D.S. Pelpora. Textbook for VU3ov. - M., 1977. - 216 pp.], That the error increases in proportion to the operating time of the inertial navigation system (for a moving object - in proportion to the distance traveled). The error in determining the coordinates when moving a moving object for a long time reaches a significant value without adjustments using special tools. Therefore, inertial navigation systems need to correct readings during movement by attracting information from other sources (for example, satellite navigation systems, altitude determination systems, devices that provide corrective information on the space navigation fields themselves), while ensuring continuity in determining the location of the object.

3. На следующем этапе (в реальном режиме времени) для повышения точности навигационной информации определяется информация о параметрах высоты (ИПВ) точек местности на маршруте подвижного объекта и в том числе об атмосферном давлении и температуре за бортом подвижного объекта.3. At the next stage (in real time mode), to increase the accuracy of navigation information, information on the altitude parameters (IPV) of terrain points along the route of the moving object, including atmospheric pressure and temperature overboard the moving object, is determined.

Работа системы определения высоты основана на относительном методе измерения высоты точек местности, заключающемся в измерении атмосферного давления и температуры воздуха в измеряемой точке и в исходной (начальной) точке и вычислении по результатам измерений разности высот.The operation of the height determination system is based on the relative method of measuring the height of terrain points, which consists in measuring atmospheric pressure and air temperature at the measured point and at the starting (starting) point and calculating the height difference based on the measurement results.

4. Далее для обеспечения требуемой точности определения навигационной информации проводится комплексирование инерциальной навигационной информации (ИНИ), информации о параметрах высоты (ПВ) подвижного объекта со спутниковой навигационной информацией (СНИ) посредством фильтра Калмана в автономном режиме навигации, что позволяет производить обработку информации, полученной от источников, работа которых построена на различных физических принципах.4. Next, to ensure the required accuracy in determining navigation information, the inertial navigation information (INI), information on the height parameters (PV) of a moving object with satellite navigation information (AIS) are aggregated using the Kalman filter in an offline navigation mode, which allows the processing of information received from sources whose work is built on various physical principles.

Простота реализации способствовала широкому применению алгоритма фильтра Калмана в навигационных системах гибридной природы [Применение фильтра Калмана в навигационной аппаратуре. Статья подготовлена по материалам, опубликованным в журнале GPS World. Сентябрь, 1997 Advanstar Communications, 859 Willamette Street, Eugene, OR 97401, USAPhone+(541) 343-1200, Fax+(541) 984-5333, E-mail: [email protected]. Перевод выполнен "Навгеоком" © 2000 Ларри Леви (Larry J. Levy, The Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory)].Ease of implementation contributed to the widespread use of the Kalman filter algorithm in hybrid navigation systems [Application of the Kalman filter in navigation equipment. This article is based on materials published in GPS World magazine. September 1997 Advanstar Communications, 859 Willamette Street, Eugene, OR 97401, USAPhone + (541) 343-1200, Fax + (541) 984-5333, E-mail: [email protected]. Translated by Navgeoc © 2000 by Larry J. Levy, The Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory].

Сочетание спутниковой и инерциальной навигационных систем совместно с фильтром Калмана позволяет повысить точность навигационных определений. Измерения, полученные инерциальной системой, с одной стороны, характеризуются низким уровнем случайных ошибок, с другой стороны, результаты спутниковых определений не подвержены подобным сдвигам системы координат, однако в большей степени отягощены случайными погрешностями. Располагая характеристиками инструментальных ошибок обеих систем, фильтр Калмана сводит к минимуму их влияние на выходные навигационные данные. Поскольку большинство реальных инерциальных и спутниковых навигационных систем нелинейны, возникает задача линеаризации их моделей. Такой подход к совместному использованию обеих навигационных систем иллюстрирует фиг.3 (изображение в тонких линиях).The combination of satellite and inertial navigation systems in conjunction with the Kalman filter improves the accuracy of navigation definitions. The measurements obtained by the inertial system, on the one hand, are characterized by a low level of random errors, on the other hand, the results of satellite determinations are not subject to such shifts of the coordinate system, but are more burdened by random errors. Having the characteristics of instrumental errors of both systems, the Kalman filter minimizes their effect on the output navigation data. Since most real inertial and satellite navigation systems are non-linear, the problem arises of linearizing their models. This approach to the joint use of both navigation systems is illustrated in figure 3 (image in thin lines).

Истинные значения навигационных данных, вырабатываемые каждой из систем, поступают на вход фильтра Калмана с обратными знаками, компенсируя друг друга. В данном случае моделированию подлежат только инструментальные погрешности. В большинстве случаев можно считать, что траектория, выдаваемая инерциальной системой, принимаемая в качестве опорной, достаточно близка к истинной, и несмотря на то, что система в целом нелинейна, фильтр Калмана работает в линейной области совместных погрешностей обоих навигационных методов. К ошибкам спутниковой аппаратуры относятся: нестабильность частоты генератора приемника и спутникового стандарта частоты, задержки сигнала, вызванные влиянием тропо- и ионосферы, эффект многолучевости и неточности в эфемеридном обеспечении. Погрешности инерциальной системы включают ошибки начальных условий, уход гироскопов, а также ошибки, вносимые акселерометрами. Если при совместном применении инерциальной и спутниковой навигационных систем последняя предоставляет положение объекта, то считается, что такая гибридная система построена по схеме со слабой связью составляющих ее частей. Примером тесной связи может служить задействование в гибридной системе величин, непосредственно измеряемых при спутниковых определениях, в этом случае опорная траектория, получаемая инерциальным методом, вместе с эфемеридной информацией используются для прогноза спутниковых измерений, таким образом, место локализации моделируемых погрешностей переместится из области вычисляемых координат в область измеряемых псевдодальностей и фаз несущей. Схема тесной связи предпочтительнее, поскольку результирующая система менее чувствительна к срывам приема спутникового сигнала. Приведение в действие контура обратной связи может рассматриваться как расширение фильтрации по Калману (см. фиг.3, изображение тонкими линиями).The true values of the navigation data generated by each of the systems are fed to the input of the Kalman filter with opposite signs, compensating each other. In this case, only instrumental errors are subject to modeling. In most cases, we can assume that the trajectory generated by the inertial system, taken as the reference, is quite close to the true one, and despite the fact that the system is generally non-linear, the Kalman filter works in the linear region of the joint errors of both navigation methods. Errors of satellite equipment include: instability of the frequency of the receiver generator and the satellite frequency standard, signal delays caused by the influence of the tropo and ionosphere, the effect of multipath and inaccuracy in the ephemeris support. Errors in the inertial system include errors in the initial conditions, the departure of gyroscopes, as well as errors introduced by accelerometers. If, with the combined use of inertial and satellite navigation systems, the latter provides the position of the object, then it is believed that such a hybrid system is built according to the scheme with a weak connection of its constituent parts. An example of close communication is the use of values directly measured in satellite determinations in a hybrid system, in this case, the reference trajectory obtained by the inertial method, together with the ephemeris information, are used to predict satellite measurements, so the location of the modeled errors will move from the calculated coordinates to region of measured pseudorange and carrier phases. A close connection scheme is preferable since the resulting system is less sensitive to interruptions in the reception of a satellite signal. The actuation of the feedback loop can be considered as an extension of Kalman filtering (see figure 3, the image with thin lines).

Исходя из вышеизложенного, для повышения точности выходной навигационной информации проводится коррекция навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемая в режиме опорной контрольно-корректирующей станции (ОККС), имеющей собственное программно-математическое обеспечение.Based on the foregoing, to improve the accuracy of the output navigation information, the navigation information received from the navigation spacecraft is adjusted in the mode of the reference control and correction station (OKKS), which has its own mathematical software.

Контрольно-корректирующая станция является функциональным дополнением к космическим навигационным системам ГЛОНАСС и GPS и представляет из себя комплекс радиотехнических и программно-вычислительных средств, осуществляющий формирование корректирующей информации (КИ) по системам ГЛОНАСС/GPS и контролирующий качество их функционирования в объявленной рабочей зоне.The control and correction station is a functional addition to the GLONASS and GPS space navigation systems and is a complex of radio engineering, software and computing tools that generate corrective information (CI) using GLONASS / GPS systems and control the quality of their operation in the announced work area.

Основной задачей станции является формирование корректирующей информации, включающей дифференциальные поправки, и контроль качества сформированных дифференциальных поправок.The main task of the station is the formation of corrective information, including differential corrections, and quality control of the generated differential corrections.

Программно-математическое обеспечение служит целям управления функционирования аппаратуры, выполнения задач индикации и обеспечения информационного обмена между составными частями опорной станции. Программно-математическое обеспечение состоит из следующих основных элементов: программы управления составными частями, программы расчета видимости, программы для вычисления оценки местоположения опорной станции и ряда обслуживающих программ.Software and mathematical support serves the purpose of controlling the functioning of the equipment, performing display tasks and providing information exchange between the components of the reference station. The software and mathematical software consists of the following main elements: component management programs, visibility calculation programs, programs for calculating the location estimate of the reference station and a number of utility programs.

Ввиду того, что система навигации работает с различными СНС, опорная станция выполняет преобразование координат из одной координатной системы в другую.Due to the fact that the navigation system works with various SNAs, the reference station converts coordinates from one coordinate system to another.

Преобразования пространственных прямоугольных координат выполняют по формуле:Transformations of spatial rectangular coordinates are performed by the formula:

где А и В - системы координат;where A and B are coordinate systems;

dX, dY, dZ - линейные элементы трансформирования, [м];dX, dY, dZ - linear elements of transformation, [m];

Wx, Wy, Wz - угловые элементы трансформирования, [угловые секунды];Wx, Wy, Wz - angular transformation elements, [angular seconds];

m - дифференциальное различие масштабов систем координат, выраженное в единицах 6-го знака.m is the differential difference in the scales of coordinate systems, expressed in units of the 6th sign.

Пример результатов расчета временных зон видимости представлен на графике (см. фиг.4). Горизонтальные линии, расположенные напротив номера спутника, определяют временную зону видимости данного спутника для пункта с установленными координатами. Широкой чертой отмечено изменение количественного состава спутников визируемых созвездий на суточном интервале времени. В центре окна на мишени, имитирующей небесную сферу над пунктом с установленными координатами, отображено пространственное расположение выбранного навигационного космического аппарата.An example of the results of calculating the time zones of visibility is presented on the graph (see figure 4). The horizontal lines opposite the satellite number determine the time zone of visibility of the satellite for the point with the specified coordinates. A broad line marks the change in the quantitative composition of satellites of the observed constellations in the daily time interval. In the center of the window on a target simulating the celestial sphere above the point with the set coordinates, the spatial location of the selected navigation spacecraft is displayed.

Пример результатов оценки изменения полного геометрического фактора визируемых созвездий навигационных космических аппаратов на суточном интервале времени, позволяющих оценить возможность проведения и точностные характеристики навигационных сеансов, представлен на графике (см. фиг.5). Составляющие полного геометрического фактора: координатная составляющая, плановая (горизонтальная) составляющая, высотная составляющая.An example of the results of assessing changes in the total geometric factor of the sighted constellations of navigation spacecraft on a daily time interval, allowing to evaluate the possibility and accuracy characteristics of navigation sessions, is presented on the graph (see figure 5). Components of the full geometric factor: coordinate component, planned (horizontal) component, altitude component.

На графике (см. фиг.6) приведен пример представления характеристики качества выработанных на опорной станции дифференциальных поправок по системе ГЛОНАСС. Кроме графических данных по дифференциальным поправкам предоставляются данные в цифровом виде.The graph (see Fig.6) shows an example of the presentation of the quality characteristics of the differential corrections worked out at the reference station according to the GLONASS system. In addition to graphical data on differential corrections, digital data is provided.

5. В реальном формате времени в автоматизированном режиме происходит окончательная обработка и распределение навигационной информации, что позволяет осуществить автоматическую прокладку маршрута по заданным точкам с отображением маршрута движения на цифровой карте местности, выполнять сервисные задачи по топогеодезическому обеспечению и выдачу выходных параметров навигации и корректирующей информации по сигналам навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных (АКПД).5. In the real time format, in the automated mode, the final processing and distribution of navigation information takes place, which allows for automatic route planning at given points with the route displayed on a digital map of the area, to perform service tasks on topographic and geodetic support and output navigation parameters and corrective information on signals of navigation spacecraft to external consumers via an autonomous data transmission channel (AKPD).

Реализация способа осуществляется в автоматизированном режиме и обеспечивается бортовым вычислительным комплексом подвижного объекта в соответствии с алгоритмом функционирования (специальным программным обеспечением), охватывающим все элементы системы в целом.The implementation of the method is carried out in an automated mode and is provided by the on-board computer system of a moving object in accordance with the functioning algorithm (special software), covering all elements of the system as a whole.

Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в формировании способа автоматизированного определения навигационно-топогеодезических параметров, обеспечивающего автоматизированный режим определения и регистрации выходных навигационных данных в соответствии с алгоритмом функционирования системы в целом, возможность совместного и селективного режимов работы в полях различных космических навигационных систем, достижение высокой точности и надежности с учетом информации по определению высоты точек местности на маршруте за счет доступности, непрерывности обслуживания и целостности навигационных определений по сигналам навигационных космических аппаратов, коррекцию навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, в режиме опорной контрольно-корректирующей станции, реализацию сервисных задач по топогеодезическому обеспечению и выдачу выходных параметров навигации и корректирующей информации от навигационных космических аппаратов внешним потребителям.Thus, the present invention solved the problem of achieving a technical result, which consists in the formation of a method for the automated determination of navigation and topographic and geodetic parameters, providing an automated mode for determining and recording the output navigation data in accordance with the algorithm of the system as a whole, the possibility of joint and selective modes of operation in the fields various space navigation systems, achieving high accuracy and reliability taking into account information and on determining the height of terrain points on the route due to the availability, continuity of service and the integrity of navigation definitions based on signals from navigation spacecraft, correction of navigation information received from navigation spacecraft, in the mode of a reference control and correction station, implementation of service tasks related to topographic and geodetic support and delivery navigation output parameters and corrective information from navigation spacecraft to external consumers.

Claims (1)

Способ автоматизированного определения навигационно-топогеодезических параметров, включающий получение информации о параметрах навигации от инерциальной и спутниковой навигационных систем, комплексирование сигналов спутниковой и инерциальной навигационных систем, в результате которого находят скорректированные параметры навигации и величины ошибок значений, вырабатываемых инерциальной навигационной системой, передачу величин этих ошибок в инерциальную навигационную систему для коррекции вырабатываемых ей в последующие моменты времени параметров навигации, отличающийся тем, что прием спутниковой навигационной информации осуществляется путем совместного или селективного режимов работы в полях различных космических навигационных систем, комплексирование проводится с учетом информации о параметрах высоты точек местности на маршруте подвижного объекта, одновременно в инерциальной навигационной системе проводится коррекция навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемая в режиме опорной контрольно-корректирующей станции, имеющей собственное программно-математическое обеспечение, реализация способа осуществляется в автоматизированном режиме в соответствии с алгоритмом функционирования (специальным программным обеспечением), охватывающим все элементы системы в целом, выполненным с возможностью осуществления автоматической прокладки маршрута по заданным точкам, реализации сервисных задач по топогеодезическому обеспечению и выдачи выходных параметров навигации и корректирующей информации по сигналам навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных. A method for the automated determination of navigation and topographic and geodetic parameters, including obtaining information about navigation parameters from inertial and satellite navigation systems, combining satellite and inertial navigation system signals, as a result of which adjusted navigation parameters and error values of values generated by the inertial navigation system are found, and transmission of the values of these errors into the inertial navigation system for the correction of the following time of navigation parameters, characterized in that the reception of satellite navigation information is carried out by joint or selective modes of operation in the fields of various space navigation systems, integration is carried out taking into account information about the altitude parameters of terrain points on the route of a moving object, while the navigation correction is carried out in an inertial navigation system information received from navigation spacecraft, performed in the reference control-correcting mode to it of a station having its own software and mathematical software, the implementation of the method is carried out in an automated mode in accordance with the functioning algorithm (special software), covering all elements of the system as a whole, made with the ability to automatically route along given points, implement service tasks on topographic and geodetic providing and issuing navigation output parameters and corrective information on the signals of navigation spacecraft external consumers via an autonomous data channel.

Images