RU2595328C1 - Method of inertial-satellite positioning of mobile objects - Google Patents
Method of inertial-satellite positioning of mobile objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2595328C1 RU2595328C1 RU2015112793/28A RU2015112793A RU2595328C1 RU 2595328 C1 RU2595328 C1 RU 2595328C1 RU 2015112793/28 A RU2015112793/28 A RU 2015112793/28A RU 2015112793 A RU2015112793 A RU 2015112793A RU 2595328 C1 RU2595328 C1 RU 2595328C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- navigation
- software
- inertial
- ccs
- radio
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области определения координат подвижных объектов (ПО) с использованием комплексного способа навигации, функционально объединяющего инерциальный способ и спутниковый, и может быть использовано при высокоточном позиционировании ПО, а также при осуществлении полета летательного аппарата (ЛА) в сложных навигационных условиях, характеризующихся повышенным уровнем изменчивости состава рабочего созвездия навигационных спутников.The invention relates to the field of determining the coordinates of moving objects (PO) using an integrated navigation method that functionally combines the inertial method and satellite, and can be used for high-precision positioning of the software, as well as during the flight of an aircraft (LA) in difficult navigation conditions, characterized by increased the level of variability in the composition of the working constellation of navigation satellites.
Известен спутниковый способ навигации ПО по N навигационным спутникам (НС) Земли, формирующим рабочее созвездие, который включает прием сигналов НС на борту ПО и вычисление по этим сигналам навигационных параметров ПО [1-3]. Но в ряде случаев, из-за нестандартных условий приема сигналов НС (частичное затенение или большой наклон приемной антенны ПО), точность навигационных определений существенно падает и при некоторых значениях указанных факторов спутниковые определения координат становятся невозможными, т.к. в зону радиовидимости антенны ПО попадает недостаточное количество НС. При восстановлении нормального режима перемещения ПО происходит снова поиск НС, слежение за ними, выделение информации и измерение параметров, по которым определяются псевдодальности и псевдоскорости для каждого "видимого" НС. Такой режим работы аппаратуры обладает дополнительным уменьшением времени непрерывных местоопределений, что может повлиять на выполнение целевых задач ПО. Кроме того, при изменении состава рабочего созвездия в оценках координат появляются разрывы непрерывности второго рода, скачки, что усложняет работу устройств, на вход которых подаются данные навигационных определений.A known satellite method for navigating software on N navigation satellites (NS) of the Earth, forming a working constellation, which includes the reception of signals on the board onboard software and the calculation of these signals navigation parameters software [1-3]. But in some cases, due to non-standard conditions for receiving NS signals (partial shading or a large slope of the receiving antenna of the software), the accuracy of navigation determinations decreases significantly and, for some values of these factors, satellite-based coordinates become impossible, because An insufficient number of NS gets into the radio visibility zone of the software antenna. When restoring the normal mode of software movement, NS search again occurs, tracking them, information is extracted and parameters are measured, which determine pseudorange and pseudo-speeds for each "visible" NS. This mode of operation of the equipment has an additional reduction in the time of continuous positioning, which can affect the performance of the software targets. In addition, when the composition of the working constellation changes in the coordinate estimates, discontinuities of the second kind appear, jumps, which complicates the operation of devices to the input of which the data of navigation definitions are supplied.
Одним из способов повышения точности навигационных определений в подобных нештатных ситуациях является комплексное использование спутникового способа навигации (ССН) и инерциального способа навигации (ИСН), осуществляемого инерциальной системой на борту ПО [4-8].One of the ways to improve the accuracy of navigation definitions in such emergency situations is the integrated use of the satellite navigation method (SOS) and inertial navigation method (SIS), carried out by an inertial system on board the software [4-8].
В патентах [4-7] при комплексировании данных от ССН и ИСН используются данные от спутниковой системы при любом составе рабочего созвездия. Координаты и скорости их изменения определяются в результате совместной обработки всей имеющейся информации, поступающей от ССН и ИСН. Однако недостатками, присущими этим способам, являются отсутствие возможности управления рабочим созвездием НС с учетом угловой ориентации ПО и недостаточно точное представление этого способа (в виде корреляционной матрицы погрешности) при комплексировании информации ССН и ИСН, что приводит к уменьшению точности и достоверности навигационных определений, особенно опасных в сложных навигационных условиях, т.к. изменение состава рабочего созвездия НС сопровождается скачкообразными переходными процессами, приводящими к снижению точности и непрерывности оценивания координат ПО комплексным инерциально-спутниковым способом навигации.In the patents [4-7], when combining data from the SSN and the ISN, data from the satellite system are used for any composition of the working constellation. The coordinates and rates of their change are determined as a result of the joint processing of all available information coming from the SSN and ISN. However, the disadvantages inherent in these methods are the inability to control the working constellation of the NS taking into account the angular orientation of the software and the insufficiently accurate representation of this method (in the form of a correlation matrix of the error) when combining the information of the SSN and ISN, which leads to a decrease in the accuracy and reliability of navigation definitions, especially dangerous in difficult navigation conditions, as a change in the composition of the working constellation of the NS is accompanied by spasmodic transients leading to a decrease in the accuracy and continuity of estimating the coordinates of the software using a complex inertial-satellite navigation method.
Способ инерциально-спутниковой навигации, защищенный патентом [8], является прототипом заявляемого изобретения. Способ-прототип состоит в том, что производится совместная обработка данных о положении ЛА, формируемых независимо инерциальными датчиками (ИД), вырабатывающими векторы угловой скорости и ускорения ЛА, барометрическим высотомером и спутниковым приемником с известным альманахом спутников, при этом во входной обработке формируют данные о положении ЛА инерциальным способом, параллельно выделяют данные о положении ЛА, определяемые спутниковым способом, а в выходной обработке на основе упомянутых оценок инерциального и спутникового способов выполняют оценку ошибок инерциального способа с помощью расширенного фильтра Калмана (ФК), и далее, выполняя коррекцию ошибок ИСН во входной обработке, уточняют положение ЛА в выходной обработке; кроме того, между входной и выходной обработками производят промежуточную обработку, включающую формирование данных рабочего созвездия на основе уточненного положения ЛА и информации об ориентации ЛА, альманахе спутников, диаграмме направленности антенны приемника, а также формирование корреляционной матрицы ошибок измерений. Проводят формирование векторов направления на спутники, используя информацию об ориентации ЛА.The inertial-satellite navigation method, protected by the patent [8], is a prototype of the claimed invention. The prototype method consists in the joint processing of data on the position of the aircraft, generated independently by inertial sensors (ID), generating vectors of angular velocity and acceleration of the aircraft, a barometric altimeter and satellite receiver with a known satellite almanac, while data are generated in the input processing on the position of the aircraft in an inertial manner, in parallel, data on the position of the aircraft determined by the satellite method is isolated, and in the output processing based on the mentioned estimates of the inertial and satellite methods the bows perform error estimation of the inertial method using the extended Kalman filter (FC), and then, performing the correction of the errors of the ISN in the input processing, they specify the position of the aircraft in the output processing; in addition, intermediate processing is performed between the input and output processing, including the formation of the working constellation data based on the updated position of the aircraft and information about the orientation of the aircraft, the satellite almanac, the antenna pattern of the receiver, as well as the formation of a correlation matrix of measurement errors. The direction vectors to the satellites are formed using information about the orientation of the aircraft.
Таким образом, учет ориентации ЛА и введение промежуточной обработки позволяют уточнить положение ЛА, определяемое комплексным инерциально-спутниковым способом.Thus, taking into account the orientation of the aircraft and the introduction of intermediate processing allow us to clarify the position of the aircraft, determined by the complex inertial-satellite method.
Хотя известные способы позволяют осуществлять навигацию ПО при любом составе рабочего созвездия, а координаты и скорости их изменения определяются в результате совместной обработки всей имеющейся информации, поступающей от НС и ИД, этим способам присущ общий недостаток - не исключена возможность потери радионаблюдений НС из-за чрезвычайных ситуаций: затенение или большой наклон приемной антенны ПО, а также возможное влияние на точность и качество навигационного сигнала со стороны управляющих, враждебно (из-за "санкций") настроенных, опорных станций сопровождения иностранных государств.Although the known methods allow software navigation at any composition of the working constellation, and the coordinates and rates of their change are determined as a result of the joint processing of all available information from the NS and ID, these methods have a common drawback - the possibility of loss of NS radio observations due to emergency situations: shading or a large inclination of the receiving antenna of the software, as well as a possible influence on the accuracy and quality of the navigation signal from the side of controllers who are hostile (due to "sanctions") tuned r stations of escort of foreign states.
Другим недостатком способа-прототипа может являться недостаточно высокая точность позиционирования, необходимая для выполнения ряда специальных задач, а также снижение точности оценивания координат ПО в сложных навигационных условиях (большие ионосферные помехи, влияние многолучевости, погрешности задания эфемерид НС и т.д.).Another disadvantage of the prototype method may be insufficiently high positioning accuracy necessary to perform a number of special tasks, as well as a decrease in the accuracy of estimating software coordinates in difficult navigation conditions (large ionospheric noise, the influence of multipath, errors in setting ephemeris NS, etc.).
Задачей заявляемого способа является повышение точности оценивания координат ПО в сложных навигационных условиях благодаря формированию локальной дифференциальной навигационной системы (ЛДНС).The objective of the proposed method is to increase the accuracy of estimating software coordinates in difficult navigation conditions due to the formation of a local differential navigation system (LDNS).
Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.
Предлагается разместить несколько аэростатных подвесок (АП) между орбитами НС и траекториями ПО, на высоте 35-60 км от поверхности Земли, т.е. на высоте достаточно спокойной атмосферы (стратосферы).It is proposed to place several aerostat suspensions (AS) between the orbits of the NS and the trajectories of the software, at an altitude of 35-60 km from the Earth’s surface, at the height of a fairly calm atmosphere (stratosphere).
Эти АП необходимо радио- и оптическими каналами связать между собой и с контрольно-корректирующей станцией (ККС), а также связать с ПО. ККС геодезически точно привязывают к принятой местной системе координат и далее формируют ЛДНС с зоной кругового обзора на поверхности Земли одной АП от 100 до 200 км. Радиооптические каналы используют для синхронизации работы генераторов на двух близких частотах F1 и F2, а также в области длин волн света 0,4-0,6 мкм. Таким образом осуществляют временную (фазовую) синхронизацию разнесенных синтезаторов передатчиков АП и ПО, а также передают ПО информацию о координатах перемещения АП, метеопараметрах и другую необходимую информацию (например, рекомендации по выбору созвездия рабочих АП).These APs must be connected by radio and optical channels with each other and with a control and correction station (CCS), as well as connected with software. The CCS is geodesically precisely tied to the adopted local coordinate system and then form an LDNS with a circular viewing area on the Earth's surface of one AP from 100 to 200 km. Radio-optical channels are used to synchronize the operation of generators at two close frequencies F1 and F2, as well as in the region of light wavelengths of 0.4-0.6 microns. In this way, temporary (phase) synchronization of the separated synthesizers of the AP and PO transmitters is carried out, as well as the transmission of information about the coordinates of the movement of the AP, meteorological parameters, and other necessary information (for example, recommendations for choosing the constellation of working APs).
В отличие от ССН, ЛДНС работает в запросном режиме, по закодированным командам с ПО и ККС. На борту АП осуществляют как определение собственных координат АП, так и созвездия НС и ПО (по сигналам передатчиков ПО), при этом используют как сигналы дальности, так и сигналы относительной скорости при доплеровском смещении частоты. По сигналам с ККС и ПО осуществляется коррекция координат местоположения и скорости АП и ПО. Для этого на борту ПО и АП производится совместная независимая обработка всей поступающей информации с использованием вычислений в местной системе координат и с помощью ИНС, ориентация которой корректируется по звездам и по созвездию НС.Unlike SSN, LDNS operates in interrogation mode, according to encoded commands from software and KKS. On board the AP, both the own coordinates of the AP are determined, and the constellations of the NS and PO (based on the signals of the PO transmitters) are used, while both range signals and relative speed signals are used for Doppler frequency shift. By signals from the CCS and software, the coordinates of the location and speed of the AP and software are corrected. For this, on board the software and the AP, a joint independent processing of all incoming information is performed using calculations in the local coordinate system and using the ANN, the orientation of which is corrected according to the stars and the constellation of the NS.
Для создания ЛДНС используют несколько АП, окружающих ККС, расположенную в центре рабочей зоны ПО и АП. Кроме того, сама ККС может быть выполнена как в стационарном, так и в передвижном варианте; главное - она должна быть геодезически точно привязана к принятой системе координат. На борту АП также может быть использована оптическая аппаратура для наблюдения и слежения за звездами с целью коррекции ИНС и местной декартовой системы координат, а также стабилизированная в инерциальном пространстве платформа.To create the LDNs, several APs are used that surround the KKS located in the center of the software and AP working area. In addition, the KKS itself can be performed both in a stationary and in a mobile version; the main thing is that it should be geodesically precisely tied to the adopted coordinate system. On board the AP, optical equipment can also be used to observe and track stars to correct the ANN and the local Cartesian coordinate system, as well as a platform stabilized in inertial space.
В [9] предлагается использование сети ретрансляционных вышек и одной опорной (реперной) вышки для решения задач контроля наземных объектов. Функции вышек в случае высокоточного позиционирования могут быть успешно выполнены сетью АП, а задачи реперной вышки - рабочей ККС, которая устанавливается в центре рабочей зоны ЛДНС.In [9], it is proposed to use a network of relay towers and one support (reference) tower for solving problems of monitoring ground objects. The functions of the towers in the case of high-precision positioning can be successfully performed by the AP network, and the tasks of the reference tower are the working CCS, which is installed in the center of the LDNS working area.
При погрешностях определения координат с применением оптического излучателя в 1-2 мм вполне реальна задача позиционирования объектов с погрешностью около 2-3 мм [9].With errors in determining coordinates using an optical emitter of 1-2 mm, the task of positioning objects with an error of about 2-3 mm is quite realistic [9].
ККС излучает не только сигналы для ПО, которые нужно позиционировать, но и синхросигналы для АП. При этом для повышения точности используются две оптические несущие частоты для всех передатчиков ЛДНС. В соответствии с этим в состав приемников должны входить фотоприемники, осуществляющие прием и обработку сигналов оптических несущих.KKS emits not only signals for software that needs to be positioned, but also clock signals for the AP. At the same time, to increase accuracy, two optical carrier frequencies are used for all LDNS transmitters. In accordance with this, the composition of the receivers should include photodetectors that receive and process optical carrier signals.
Предлагается также конструктивно АП выполнить таким образом, чтобы для работы с рабочим созвездием НС использовать систему антенн, расположенных в верхней части АП и обслуживающих верхнюю полусферу атмосферы, а для наблюдений и работы с наземными объектами использовать антенны, расположенные в нижней части АП и направленные вниз.It is also proposed to constructively construct ACs in such a way that, to work with the working constellation of the NS, use a system of antennas located in the upper part of the AC and serving the upper hemisphere of the atmosphere, and for observations and work with ground objects, use antennas located in the lower part of the AC and directed downward.
Кроме того, для решения задач геодезии, картографии и спецзадач (например, измерение высоты полета АП и др.) предлагается на борту АП использовать высокоточный абсолютный, стабилизированный в местной системе координат (X,Y,Z) гравиметр.In addition, to solve the problems of geodesy, cartography, and special tasks (for example, measuring the flight altitude of an aircraft, etc.), it is proposed to use a high-precision absolute, stabilized in the local coordinate system (X, Y, Z) gravimeter on board the aircraft.
Также предлагается использовать на АП специальную оптическую аппаратуру для наблюдения за поверхностью и фотографирования объектов по команде с опорной ККС.It is also proposed to use special optical equipment at the AP for monitoring the surface and photographing objects on command from the reference CCS.
С применением АП возможно осуществлять наблюдения за атмосферой и ионосферой и прогнозировать погодные изменения, влекущие в том числе ухудшения видимости и радиосвязи.Using AP, it is possible to monitor the atmosphere and the ionosphere and predict weather changes, including, among other things, impairing visibility and radio communications.
Эксплуатация ЛДНС допускает разные режимы работы:Operation LDNS allows different modes of operation:
1 - совместная работа ИСН, ССН, ЛДНС, когда работают одновременно приемопередатчики, обслуживающие верхнюю и нижнюю полусферы;1 - joint work of ISN, SSN, LDNS, when the transceivers serving the upper and lower hemispheres work simultaneously;
2 - автономный режим, когда для высокоточного позиционирования используются приемопередатчики АП, направленные вниз, т.е. реализуется только ЛДНС с использованием инфраструктуры сотовой связи. В этом режиме ЛДНС структурно может быть реализована двумя вариантами:2 - stand-alone mode, when the transceivers are used for high-precision positioning, directed downward, i.e. only LDNs are implemented using the cellular infrastructure. In this mode, LDNS can be structurally implemented in two ways:
- ЛДНС состоит из 4-5 АП и одной опорной (реперной) ККС. Общая зона обзора при этом составит от 400 до 1000 км;- LDNS consists of 4-5 AP and one reference (reference) KKS. The total viewing area will be from 400 to 1000 km;
- ЛДНС состоит из одной АП и одной опорной ККС и 3-4 передвижных ретрансляционных ККС в пределах оптической видимости. Общая зона обзора при этом составит до 200 км при благоприятных рельефных и метеоусловиях.- LDNS consists of one AP and one reference KKS and 3-4 mobile relay KKS within optical visibility. The total field of view in this case will be up to 200 km under favorable relief and weather conditions.
В принципе, с помощью сети ЛДНС можно обеспечить высокоточным позиционированием всю территорию РФ.In principle, using the LDNS network, it is possible to provide high-precision positioning to the entire territory of the Russian Federation.
Учитывая, что запуск АП в стратосферу намного экономичнее запуска ИСЗ, целесообразно при выходе АП из рабочей зоны, по команде с ККС, осуществлять мягкую посадку АП с последующей проверкой работоспособности аппаратуры и обновлением ячеек памяти и программы. После этого можно производить повторный запуск АП в новой рабочей зоне.Considering that launching a nuclear power plant into the stratosphere is much more economical than launching an artificial satellite, it is advisable when the aircraft leaves the working area, at the command of the CCS, to soft-land the nuclear weapons with subsequent verification of the equipment’s operability and updating the memory cells and program. After that, you can restart the AP in a new working area.
Для создания АП могут быть использованы материалы и покрытия, маскирующие АП от наблюдения ее в стратосфере.To create an AP, materials and coatings masking the AP from observing it in the stratosphere can be used.
Суть заявляемого способа поясняется с помощью фиг. 1-4.The essence of the proposed method is illustrated using FIG. 1-4.
На фиг. 1 показана схема связи и взаимодействия объектов способа.In FIG. 1 shows a diagram of the communication and interaction of the method objects.
На фиг. 2 представлена блок-схема основной последовательности операций способа.In FIG. 2 is a flowchart of the main process flow.
На фиг. 3 показан вариант [9] функциональной схемы системы позиционирования, с радио- и оптическим каналами связи, распложенными на ККС и АП.In FIG. 3 shows a variant [9] of a functional diagram of a positioning system, with radio and optical communication channels located on the KKS and AP.
На фиг. 4 представлена функциональная схема приемной системы позиционирования, расположенной на ПО.In FIG. 4 is a functional diagram of a receiving positioning system located on the software.
Способ согласно фиг. 1 включает характерные для способа-прототипа связи и взаимодействия НС с контрольно-измерительным комплексом (КИК) и с подвижным объектом ПО, поэтому на фиг. 1 они не показаны подробно.The method of FIG. 1 includes typical for the prototype method of communication and interaction of the NS with the control and measuring complex (CFC) and with the moving object PO, therefore, in FIG. 1 they are not shown in detail.
Предложены новые операции, реализующие заявленный способ. Новизна способа состоит в том, что между орбитами НС и ПО размещают АП, радио- и оптически связанную с ПО и с ККС, которая точно привязана к местной системе координат. С помощью нескольких АП и ККС формируют, таким образом, ЛДНС с зоной обзора 100-200 км. Необходимые угловые распределения оптических сигналов обеспечиваются широкоугольными объективами, сканирующими в пространстве оптической системы.New operations that implement the claimed method are proposed. The novelty of the method lies in the fact that between the orbits of the NS and the software place the AP, radio and optically connected with the software and the SCS, which is precisely tied to the local coordinate system. With the help of several APs and KKS, LDNs are thus formed with a field of view of 100-200 km. The necessary angular distributions of optical signals are provided by wide-angle lenses scanning in the space of the optical system.
ККС-1 является при этом опорной (реперной) станцией. Она выполняет роль фазирования разнесенных генераторов с использованием двух оптических несущих частот в диапазоне волн 0,4-0,6 мкм. ККС-1 излучает не только сигналы для ПО, которые нужно позиционировать, но и синхросигналы для АП-1 - АП-4. Погрешность слежения за перемещением оптических излучателей на АП-1 указанным способом составляет менее 1 мм по двум горизонтальным координатам и передается в закодированном виде на радиочастоте к другим АП и ПО.KKS-1 is at the same time a reference (reference) station. It plays the role of phasing diversity generators using two optical carrier frequencies in the wavelength range of 0.4-0.6 microns. KKS-1 emits not only signals for software that needs to be positioned, but also clock signals for AP-1 - AP-4. The error in tracking the movement of optical emitters on AP-1 in this way is less than 1 mm in two horizontal coordinates and is transmitted in radio-encoded form to other APs and software.
Ниже приводится сокращенное математическое обоснование достижимой точности способа.The following is a brief mathematical justification of the achievable accuracy of the method.
Геометрическое расстояние до объекта можно определить по формуле [10].The geometric distance to the object can be determined by the formula [10].
где L1, L2 - оптические расстояния от излучателя до ПО;where L 1 , L 2 are the optical distances from the emitter to ON;
f(λ) - функция, зависящая от длины волны света λ.f (λ) is a function depending on the wavelength of light λ.
При λ в диапазоне от 0,4 мкм до 0,6 мкм оптическое расстояние L1 будет:When λ in the range from 0.4 μm to 0.6 μm, the optical distance L 1 will be:
где р, Т - средние значения давления и температуры, измеряемые в атмосфере;where p, T are the average values of pressure and temperature, measured in the atmosphere;
е - влажность воздуха, выраженная через парциальное давление водяного пара, в миллибарах.e - air humidity, expressed through the partial pressure of water vapor, in millibars.
При е в диапазоне от 0 до 20 мбар второй член в (2) во много меньше первого, тогда среднее отношение будет равно: When e is in the range from 0 to 20 mbar, the second term in (2) is much smaller than the first, then the average ratio will be equal to:
Таким образом, при значениях λ1,λ2=0,4-0,6 мкм, погрешности измерения L1,L2=0,1 мм и е<5 мбар, f(λ1) /[f(λ1) - f(λ2)]=20, погрешность измерения D не превысит 1-2 мм.Thus, with values of λ 1 , λ 2 = 0.4-0.6 μm, measurement errors L 1 , L 2 = 0.1 mm and e <5 mbar, f (λ 1 ) / [f (λ 1 ) - f (λ 2 )] = 20, the measurement error D will not exceed 1-2 mm.
Если прямая видимость между АП и ПО отсутствует, и измерения ведутся лишь на одной радиочастоте, то погрешность позиционирования составит ~ (10-20) мм.If there is no direct visibility between the AP and the software, and measurements are carried out at only one radio frequency, then the positioning error will be ~ (10-20) mm.
Дополнительные преимущества ЛДНС можно получить при использовании инфраструктуры мобильной сотовой связи. Это позволит повысить удобство в работе и точность в координировании при решении специальных задач, обеспечит выдачу информации не только на табло, но и на карте местности, плане.Additional benefits of LDNS can be obtained by using the infrastructure of mobile cellular communications. This will increase the convenience in work and accuracy in coordination when solving special problems, will ensure the issuance of information not only on the scoreboard, but also on the map of the area, plan.
Основная последовательность операций, представленная на Фиг. 2, совпадает с блок-схемой операций прототипа: формирование входных данных инерциальными датчиками (ИД)1, баровысотомером 2, спутниковым приемником (СПР) 3, входную обработку упомянутых данных 4, включающую в себя формирование данных о положении ПО инерциальным способом навигации 5 и выделение данных о положении ПО спутниковым способом 6, а также выходную обработку 7, в которой на основе упомянутых оценок инерциального и спутникового способов выполняют оценивание ошибок ИНС с помощью расширенного фильтра Калмана 8. Далее проводят коррекцию ошибок входной обработки сигналов при формировании оценок положения ПО инерциальным способом навигации и в блоке 9 определяют уточненное положение ПО в виде разности оценок положения ПО, определенных ИНС и упомянутых оценок ошибок ИНС.The basic flowchart shown in FIG. 2, coincides with the block diagram of the operations of the prototype: the formation of input data by inertial sensors (ID) 1, barometer 2, satellite receiver (SPR) 3, the input processing of the mentioned data 4, including the generation of data on the position of the software inertial navigation 5 and highlighting data on the software position by the satellite method 6, as well as
Затем между блоками входной 4 и выходной 7 обработок вводят блок 10 промежуточной обработки сигналов ССН, включающей в себя блок 11 формирования данных рабочего созвездия на основе уточненного положения ПО и информации об его ориентации, альманахе данных созвездия и диаграмме направленности антенны приемника, после чего в блоке 12 формируют корреляционную матрицу ошибок.Then, between the input 4 and
Новизна предложенного способа состоит в том, что на входы приемников ПО подаются сигналы на радио- и оптической частотах от радиопередатчиков и излучателей, расположенных на ККС и на АП (блоки 13 и 14 на Фиг. 2), запущенной в стратосферу в область спокойной и слабой динамики атмосферного воздуха. Это позволяет более точно (~2-3 мм) определить навигационные параметры (координаты X, Y, Z в местной системе координат, высоту h и вектор скорости V) для всех объектов способа: ККС, АП и ПО.The novelty of the proposed method consists in the fact that the signals at radio and optical frequencies from radio transmitters and emitters located on the KKS and on the AP (blocks 13 and 14 in Fig. 2) launched into the stratosphere to the calm and weak region are fed to the inputs of the software receivers atmospheric air dynamics. This allows you to more accurately (~ 2-3 mm) determine the navigation parameters (coordinates X, Y, Z in the local coordinate system, height h and velocity vector V) for all objects of the method: KKS, AP and PO.
Далее, как и в прототипе, в блоке 4 производится входная обработка поступающей информации.Further, as in the prototype, in block 4 is the input processing of the incoming information.
В блоке 15 производится выделение данных о положении ПО, его V и h, полученных от АП и ККС. При этом для синхронизации передатчиков и повышения точности позиционирования используются две оптические несущие частоты в диапазоне волн 0,4-0,6 мкм, а также необходимые радиочастоты.In block 15, data on the position of the software, its V and h, obtained from the AP and KKS, is extracted. In this case, to synchronize the transmitters and improve positioning accuracy, two optical carrier frequencies in the wavelength range of 0.4-0.6 μm are used, as well as the necessary radio frequencies.
Затем в блоке 6 происходит выделение данных о положении ПО спутниковым способом, с присвоением полученным данным весовых коэффициентов. Полученные таким образом данные о положении ПО с помощью АП и ККС, параллельно с данными о положении ПО, полученными по инерциальному способу в блоке 5, подвергаются выходной обработке 7 с помощью расширенного фильтра Калмана 8, выполняют оценивание и коррекцию ошибок и далее в блоке 9 определяют уточненное положение ПО.Then, in block 6, data on the position of the software is extracted in a satellite manner, with the weighting coefficients being assigned to the data. Thus obtained data on the position of the software using the AP and CCS, in parallel with the data on the position of the software obtained by the inertial method in block 5, are processed 7 using the advanced Kalman filter 8, they evaluate and correct errors, and then determine in
На основании информации об ориентации ПО, диаграммы направленности антенны и альманаха созвездия АП в блоке 11 производят формирование данных рабочего созвездия АП.Based on the information about the orientation of the software, the radiation pattern of the antenna and the almanac of the constellation AP in block 11, the data of the working constellation AP are generated.
Операции промежуточной обработки 10 включают формирование данных рабочего созвездия АП на основании информации об ориентации ПО, диаграммы направленности антенны и альманаха данных рабочих АП. Далее в блоке 12 производится формирование векторов направления выбранных АП и корреляционной матрицы ошибок измерений.The intermediate processing operations 10 include generating data of the operating constellation of the AP based on information about the orientation of the software, the antenna pattern and the almanac of the data of the working AP. Next, in block 12, the direction vectors of the selected APs and the correlation matrix of measurement errors are generated.
Предложенный способ включает также операцию формирования команд поиска НС или АП в блоке 16. Эта операция использует данные рабочего созвездия НС или АП и создает на управляющем входе приемника команды поиска НС или АП. Таким образом, исключается возможность появления аномальных ошибок в данных АП.The proposed method also includes the operation of generating the search commands NS or AP in block 16. This operation uses the data of the working constellation NS or AP and creates at the control input of the receiver the search command NS or AP. Thus, the possibility of the appearance of abnormal errors in the AP data is excluded.
На Фиг. 3 представлена функциональная схема с радио- и оптическим каналами связи станции позиционирования, устанавливаемой на АП и ККС. Каждая станция должна передавать объекту радио- и оптические сигналы, метеопараметры, координаты смещения излучателя. Кроме того, на каждой станции должен присутствовать сфазированный задающий синтезатор, обеспечивающий точную фазовременную привязку к фазе синтезатора на реперной ККС. Эту привязку обеспечивает радиооптический канал синхронизации. Синтезатор с блоком автоподстройки 17 подстраивает фазу сигнала к опорному сигналу от реперной станции (ККС). Для этой цели используют либо радиоканал 18, либо оптический канал от излучателя ККС 19, причем переключение каналов осуществляется при помощи порогового устройства 20, высокочастотного коммутатора 21 и контроллера 22 при достижении оптическим сигналом значений ниже критического уровня. Для компенсации перемещений излучателя 19 используются измерители перемещений (акселерометры) в блоке кодирования 23 и цифровые видеокамеры слежения 24, данные которых поступают для обработки в контроллер 22 (или в спецпроцессор), а формируемый там же сигнал ошибки управляет фазовращателем 25, компенсирующим смещения излучателя 26. Горизонтальные смещения вершины излучателя ККС с применением блока кодирования 23 передаются от радио- и оптического передатчиков 27 к объекту позиционирования. Таким же способом транслируются измеренные в блоке 28 метеопараметры (Т, р, е), однако эта информация необходима лишь в условиях отсутствия оптической видимости. Оптический передатчик 27, как отмечалось, работает через блок модуляции 29 на оптических несущих в районе максимальной дисперсии атмосферы в спектральном диапазоне 0,4-0,6 мкм. Для приема сигналов от опорной ККС используется широкоугольный объектив 19, оптический сигнал которого усиливается фотоусилителем 30 и через пороговое устройство 20 и высокочастотный коммутатор 21, подается на вход синтезатора с системой автоподстройки фазы 17.In FIG. Figure 3 presents a functional diagram with radio and optical communication channels of a positioning station installed on the AP and KKS. Each station must transmit to the object radio and optical signals, meteorological parameters, coordinates of the emitter bias. In addition, a phased master synthesizer must be present at each station, providing accurate phase-time binding to the synthesizer phase on the reference CCS. This binding is provided by the radio-optical synchronization channel. A synthesizer with an auto-tuning unit 17 adjusts the phase of the signal to the reference signal from the reference station (KKS). For this purpose, either a
Хотя система приема и первичной обработки сигналов позиционирования (см. Фиг. 4) не является оригинальной, все же целесообразно ее привести для пояснения принципа формирования высокоточной входной информации о положении объектов.Although the system for receiving and primary processing of positioning signals (see. Fig. 4) is not original, it is nevertheless advisable to bring it to explain the principle of forming high-precision input information about the position of objects.
Приемник 27 на борту ПО осуществляет прием и декодирование перемещений излучателей АП и ККС по радиоканалу 18 и/или оптическому каналу 19, декодирование значений метеопараметров с каждой передающей станции, а также содержит оптический приемник с фотоусилителем 30, принимающий оптические сигналы в случае прямой видимости. В зависимости от оптического сигнала пороговое устройство 20 и высокочастотный коммутатор 21 пропускают на синтезатор 17 либо сигналы с фотоусилителя 30, либо с радиоприемника 27. Синтезатор 17 подстраивает свою фазу по радиоканалу (в случае плохой видимости) или по сигналу модуляции оптической несущей с ККС. Декодирующее устройство с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 31 осуществляют декодирование смещения излучателей, а также метеопараметров. Контроллер 22 совместно с АЦП измеряет фазы сигналов необходимых частот. Далее контроллер пересчитывает фазы в расстояния с привязкой к координатной сетке и осуществляет расчет координат объекта (ПО), которые выводятся на монитор 32 или табло (для визуализации).A receiver 27 onboard the software receives and decodes the movements of the AP and KKS emitters over the
Из приведенных в [11] данных следует, что стабильность опорных генераторов, погрешность позиционирования перемещений излучателей ККС и их временная синхронизация эквивалентны погрешности ~1 мм (если временная синхронизация проводится по оптическому каналу связи), а добавление оптических передатчиков на всех АП и ККС позволяет полностью использовать стабильность инфраструктуры для позиционирования мобильных объектов с погрешностью 1 мм.From the data given in [11], it follows that the stability of the reference generators, the positioning error of the movements of the KKS emitters, and their time synchronization are equivalent to an error of ~ 1 mm (if the time synchronization is carried out via the optical communication channel), and the addition of optical transmitters on all APs and KKS use infrastructure stability for positioning mobile objects with an accuracy of 1 mm.
Кроме того, повышение точности и надежности навигационного обеспечения ПО достигается при использовании входной информации от НС и АП для формирования в схеме входной обработки 4 и блоке 6 выделенных данных о псевдодальности (ПД), псевдоскорости (ПС) и отношении сигнал/шум (с/ш) в блоке 33. Использование каналов инфраструктуры мобильной сотовой связи 34 также значительно повышает точность и удобство выполнения работ с помощью ПО в сложных и чрезвычайных задачах позиционирования и координации действий с помощью ЛДНС.In addition, improving the accuracy and reliability of navigation software is achieved by using input information from the NS and the AP to generate in the input processing circuit 4 and block 6 selected data on the pseudorange (PD), pseudo-speed (PS) and signal to noise ratio (s / w ) in block 33. Using the channels of the infrastructure of mobile cellular communications 34 also significantly improves the accuracy and convenience of performing work using software in complex and emergency tasks of positioning and coordination of actions using LDNs.
Таким образом, выше показана новизна предложенного способа, которая реализуется, прежде всего, в размещении приемо-передающей аппаратуры на промежуточной высоте, между НС и ПО, в зоне спокойной стратосферы, при формировании командных сигналов управления, координирования и коррекции в опорных ККС, расположенных на Земле, связь которых между собой и другими приемо-передатчиками предлагается осуществлять по радиооптическим каналам на двух несущих частотах. Таким образом, создается локальная дифференциальная навигационная система - ЛДНС.Thus, the novelty of the proposed method is shown above, which is realized, first of all, in the placement of transceiver equipment at an intermediate height, between the NS and the PO, in the zone of a quiet stratosphere, when command signals of control, coordination and correction are formed in the reference CCS located on Earth, the communication of which with each other and other transceivers is proposed to be carried out via radio-optical channels at two carrier frequencies. Thus, a local differential navigation system is created - LDNS.
Кроме того, показана целесообразность использования для размещения приемопередатчиков на аэростатной подвеске - АП. Это позволяет значительно экономить средства и время на создание и развертывание такой ЛДНС, что обеспечивает эффективность и удобство ее использования в разных областях.In addition, the feasibility of using to place transceivers on a balloon suspension - AP is shown. This allows you to significantly save money and time on the creation and deployment of such LDNS, which ensures the effectiveness and convenience of its use in various fields.
Использование радио- и оптических каналов на двух несущих частотах позволяет существенно повысить точность, доступность и непрерывность навигационного обеспечения подвижных объектов в сравнении с существующими системами аналогичного назначения.The use of radio and optical channels at two carrier frequencies can significantly improve the accuracy, availability and continuity of the navigation support of moving objects in comparison with existing systems of a similar purpose.
И, наконец, следует отметить прикладную многофункциональность предложенной ЛДНС - это высокоточное навигационное обеспечение, геодезия и картография, автоматическая посадка ЛА; контроль за передвижением транспорта, при причаливании морского судна в узких местах, при контроле и строительстве сложных сооружений и т.д.And, finally, it should be noted the applied multifunctionality of the proposed LDNS - this is high-precision navigation support, geodesy and cartography, automatic aircraft landing; control over the movement of vehicles, when the ship is moored in narrow places, during the control and construction of complex structures, etc.
Принципиальными преимуществами системы позиционирования с использованием ЛДНС перед спутниковыми системами, кроме повышенной точности, являются:The principal advantages of the positioning system using LDNS over satellite systems, in addition to increased accuracy, are:
- многократно меньшая стоимость изготовления, вывода в зону работы АП, ККС и КИК, а также обслуживания инфраструктуры ЛДНС;- much lower cost of manufacturing, withdrawal to the work area of the AP, KKS and KIK, as well as maintenance of the LDNS infrastructure;
- максимальная скрытность запуска и нахождения в зоне работы;- maximum stealth launch and stay in the work area;
- максимальная оперативность запуска практически в любом контролируемом районе;- maximum launch efficiency in almost any controlled area;
- возможность запуска с летательного аппарата в нужной точке пространства;- the ability to launch from an aircraft at the desired point in space;
- возможность многоразового использования (запуск - посадка);- the possibility of reusable use (launch - landing);
- возможность работы в автономном режиме (при аварийной ситуации с ГЛОНАСС) обеспечивает резервирование и надежность функционирования системы в "особый" период;- the ability to work offline (in an emergency with GLONASS) provides redundancy and reliability of the system in a "special" period;
- возможность использования хорошо развитой инфраструктуры мобильной сотовой связи;- the ability to use a well-developed mobile cellular infrastructure;
- возможность работы "по запросу", которая позволяет скрытно держать ЛДНС в режиме "ожидания" и включать систему только в требуемое время "Ч";- the ability to work "on demand", which allows you to secretly keep the LDNS in the "standby" mode and turn on the system only at the required time "H";
- мобильность, позволяющая отказаться от создания стационарных следящих и ретрансляционных систем.- mobility, which allows you to abandon the creation of stationary tracking and relay systems.
Создание ЛДНС позволяет решать различные задачи позиционирования материальных объектов (подвижных, в т.ч. летательных аппаратов и стационарных) с наивысшей точностью как в интересах безопасности страны, так и в гражданском секторе.The creation of LDNS allows solving various problems of positioning material objects (mobile, including aircraft and stationary) with the highest accuracy both in the interests of the country's security and in the civilian sector.
Источники информацииInformation sources
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Петрова, В.Н. Харисова. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2005, 800 с.1. GLONASS. The principles of construction and operation / Ed. A.I. Petrova, V.N. Harisova. 4th ed. reslave. and add. - M.: Radio Engineering, 2005, 800 p.
2. Введение в спутниковую навигацию / В.В. Малышев и др. М. Радиотехника, 2008, - 150 с.2. Introduction to satellite navigation / V.V. Malyshev et al. M. Radio Engineering, 2008, - 150 p.
3. Применение GPS/Глонасс (учебное пособие) / М.Р. Богданов, изд."Интеллект", 2012, 136 с.3. The use of GPS / Glonass (study guide) / M.R. Bogdanov, publishing house "Intellect", 2012, 136 pp.
4. Патент РФ 2334199, кл. G01C 23/00, заявл. 19.03.2007, опубл. 20.09.2008.4. RF patent 2334199, cl. G01C 23/00 claimed 03/19/2007, publ. 09/20/2008.
5. Патент ЕР 1837627 А2, кл. G01C 21/28, заявл. 07.03.2007, опубл. 26.09.2007.5. Patent EP 1 837 627 A2, cl. G01C 21/28 claimed 03/07/2007, publ. 09/26/2007.
6. Патент ЕР 202637 А2, кл. G01C 21/16, заявл. 12.08.2008, опубл. 18.02.2009.6. Patent EP 202637 A2, cl. G01C 21/16 claimed 08/12/2008, publ. 02/18/2009.
7. Патент USA №7,873,472 B2, кл. G01C 21/00, заявл. 11.02.2010, опубл. 18.01.2011.7. USA patent No. 7,873,472 B2, class. G01C 21/00 claimed 02/11/2010, publ. 01/18/2011.
8. Патент РФ 2536768 С1, кл. G01C 21/00, G01C 23/00, опубл. 27.12.2014.8. RF patent 2536768 C1, cl. G01C 21/00, G01C 23/00, publ. 12/27/2014.
9. Мобильные приемопередающие устройства для системы позиционирования в задачах контроля наземных объектов / В.И. Григорьевский, М.В. Григорьевская, В.П. Садовников, Ю.О. Яковлев, Измерительная техника, №5, 2013.9. Mobile transceivers for positioning systems in monitoring tasks of ground objects / V.I. Grigoryevsky, M.V. Grigoryevskaya, V.P. Sadovnikov, Yu.O. Yakovlev, Measuring equipment, No. 5, 2013.
10. Рефракция электромагнитных волн в атмосферах Земли, Венеры и Марса. М.: Советское радио, 1976.10. Refraction of electromagnetic waves in the atmospheres of Earth, Venus and Mars. M .: Soviet Radio, 1976.
11. Оценка точности позиционирования объектов с помощью инфраструктуры мобильной связи / В.И. Григорьевский, М.В. Григорьевская, Ю.О. Яковлев / Метрология 2011, №8, с. 33-42.11. Evaluation of the accuracy of positioning of objects using the infrastructure of mobile communications / V.I. Grigoryevsky, M.V. Grigoryevskaya, Yu.O. Yakovlev / Metrology 2011, No. 8, p. 33-42.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015112793/28A RU2595328C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Method of inertial-satellite positioning of mobile objects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015112793/28A RU2595328C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Method of inertial-satellite positioning of mobile objects |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2595328C1 true RU2595328C1 (en) | 2016-08-27 |
Family
ID=56891971
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015112793/28A RU2595328C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Method of inertial-satellite positioning of mobile objects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2595328C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653066C1 (en) * | 2017-08-29 | 2018-05-07 | Олег Иванович Завалишин | Method for determining the ionospheric storm with the use of a ground stationary control and correcting station |
RU2683640C1 (en) * | 2018-04-23 | 2019-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" | Method for selecting the constellation of navigation satellite |
CN113950097A (en) * | 2017-09-15 | 2022-01-18 | 北京小米移动软件有限公司 | Cell measurement method and device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2365932C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-08-27 | Вячеслав Адамович Заренков | Method of mobile object accurate positioning and monitoring |
US7873472B2 (en) * | 2006-03-08 | 2011-01-18 | Honeywell International Inc. | Methods and systems for implementing an iterated extended Kalman filter within a navigation system |
RU2536768C1 (en) * | 2013-07-29 | 2014-12-27 | Закрытое акционерное общество "ВНИИРА-Навигатор" | Method of inertial-satellite navigation of aircrafts |
RU2546665C2 (en) * | 2012-07-18 | 2015-04-10 | Владимир Иванович Григорьевский | Apparatus for high-precision positioning of mobile objects |
-
2015
- 2015-04-07 RU RU2015112793/28A patent/RU2595328C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7873472B2 (en) * | 2006-03-08 | 2011-01-18 | Honeywell International Inc. | Methods and systems for implementing an iterated extended Kalman filter within a navigation system |
RU2365932C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-08-27 | Вячеслав Адамович Заренков | Method of mobile object accurate positioning and monitoring |
RU2546665C2 (en) * | 2012-07-18 | 2015-04-10 | Владимир Иванович Григорьевский | Apparatus for high-precision positioning of mobile objects |
RU2536768C1 (en) * | 2013-07-29 | 2014-12-27 | Закрытое акционерное общество "ВНИИРА-Навигатор" | Method of inertial-satellite navigation of aircrafts |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авиационное вооружение и авионика. Энциклопедия XXI века. Оружие и технологии России. - М.: Оружие и технологии. Том X, 1999. стр.360-405. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653066C1 (en) * | 2017-08-29 | 2018-05-07 | Олег Иванович Завалишин | Method for determining the ionospheric storm with the use of a ground stationary control and correcting station |
CN113950097A (en) * | 2017-09-15 | 2022-01-18 | 北京小米移动软件有限公司 | Cell measurement method and device |
RU2683640C1 (en) * | 2018-04-23 | 2019-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" | Method for selecting the constellation of navigation satellite |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7098846B2 (en) | All-weather precision guidance and navigation system | |
JP5329409B2 (en) | A method for fusing multiple GPS measurement types into a weighted least squares solution | |
US11709273B2 (en) | Stratospheric position, navigation, and timing system | |
WO2008141320A1 (en) | Post-mission high accuracy position and orientation system | |
US20100106416A1 (en) | Aircraft navigation using the global positioning system, inertial reference system, and distance measurements | |
KR101827820B1 (en) | Aircraft Landing Apparatus Using GNSS and SBAS Singals, and Control Method Thereof | |
CN108693546B (en) | Relay vehicle for transmitting positioning signals to rovers with optimized accuracy factor | |
Jiang et al. | On-the-fly Locata/inertial navigation system integration for precise maritime application | |
RU2595328C1 (en) | Method of inertial-satellite positioning of mobile objects | |
Mueller et al. | The Interdisciplinary Role of Space Geodesy: Proceedings of an International Workshop held at “Ettore Majorana” Center for Scientific Culture, International School of Geodesy—Director, Enzo Boschi—. Erice, Sicily, Italy, July 23–29, 1988 | |
RU2558699C1 (en) | Complex method of aircraft navigation | |
US5781151A (en) | Interferometric trajectory reconstruction technique for flight inspection of radio navigation aids | |
RU2286584C2 (en) | Method for independent instantaneous determination by users of co-ordinates of location, velocity vector components, angular orientation in space and phase of carrier phase of radio signals of ground radio beacons retransmitted by satellites | |
CN109633695A (en) | A kind of unmanned plane is to defending the active positioning method for leading jammer | |
RU2365934C2 (en) | System and method of geographical and spatial location | |
Bonenberg | Closely-coupled integration of Locata and GPS for engineering applications | |
CN112394381B (en) | Full-autonomous lunar navigation and data communication method based on spherical satellite | |
Garin et al. | The organization and short-range navigation radio systems structure based on pseudosatellites | |
Shim et al. | A precise pointing technique for free space optical links and networks using kinematic GPS and local sensors | |
Jiang et al. | Flight evaluation of a locata-augmented multisensor navigation system | |
Zelentsova et al. | Creation and development of space radio navigation systems, comparison of their accuracy | |
Shim et al. | A precise pointing technique for free space optical networking | |
JPH0260897A (en) | Automatic landing device | |
RU2750133C1 (en) | Method for measuring the level of radio observability and apparatus for implementation thereof | |
RU2784481C1 (en) | Method for autonomous measurement of gravitational field parameters on board a spacecraft |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180408 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20191004 |