RU2659351C1 - Modernized glonass satellite navigation system - Google Patents

Abstract

FIELD: radar ranging and radio navigation.

SUBSTANCE: present invention relates to the field of satellite navigation systems and is aimed at improvement of the existing GLONASS satellite navigation system. In the updated GLONASS satellite navigation system, consisting of the existing GLONASS satellite navigation system basic navigation satellites formation N1, for which the first kind M-sequence based signal generation is used, additional navigation spacecrafts formation N2 is introduced, for which the second kind M-sequence based signal generation is used, where N2 of additional navigation spacecrafts represents twenty-four navigation spacecrafts located similar to the initial GLONASS system in three intermediate in the longitude planes relative to the initial GLONASS system orbital planes.

EFFECT: increase in the navigation signal propagation and reception efficiency.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области спутниковых навигационных систем и направлено на совершенствование существующей спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС.The present invention relates to the field of satellite navigation systems and is aimed at improving the existing satellite navigation system GLONASS.

Известны различные направления совершенствования и модернизации спутниковых навигационных систем, практическим приложением которых должна стать модернизация спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС. Например, в патенте RU2314232 предложена спутниковая навигационная система, представляющая собой альтернативную группировку космических аппаратов, заданы орбиты для размещения космических аппаратов данной спутниковой системы. В свою очередь, в предлагаемом изобретении предложено решить существующую проблему формирования нескольких группировок космических аппаратов – по факту базовой и дополнительной, и обеспечить эффективное распространение и приём навигационного сигнала.There are various directions for improving and modernizing satellite navigation systems, the practical application of which should be the modernization of the GLONASS satellite navigation system. For example, in patent RU2314232 a satellite navigation system is proposed, which is an alternative constellation of spacecraft, orbits are defined for the spacecraft of this satellite system. In turn, in the present invention, it is proposed to solve the existing problem of forming several constellations of spacecraft - in fact basic and additional, and to ensure the effective distribution and reception of the navigation signal.

Для преодоления описанной выше технической проблемы предложена модернизированная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС, состоящая из существующей группировки N1 базовых навигационных космических аппаратов спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, для которых используют формирование сигнала на основе M-последовательности первого вида, введена группировка N2 дополнительных навигационных космических аппаратов, для которых используют формирование сигнала на основе М-последовательности второго вида, где N2 дополнительных навигационных космических аппаратов представляют собой двадцать четыре навигационных космических аппарата, расположенных аналогично исходной системе ГЛОНАСС в трёх промежуточных по долготе плоскостях относительно орбитальных плоскостей исходной системы ГЛОНАСС.To overcome the technical problem described above, a modernized GLONASS satellite navigation system is proposed, consisting of the existing grouping N1 of basic navigation spacecraft of the GLONASS satellite navigation system, for which signal generation based on the M-sequence of the first kind is used, a grouping of N2 additional navigation spacecraft has been introduced, for which use signal generation based on the M-sequence of the second type, where N2 additional navigation onnyh spacecraft are twenty-four navigation satellites, arranged in a similar original GLONASS system in the three intermediate longitudinal planes relative to the orbital plane of the original GLONASS.

Практическое использование заявленного изобретения обосновано следующим образом.The practical use of the claimed invention is justified as follows.

Очевидным направлением развития спутниковых навигационных систем, включая систему ГЛОНАСС, которое позволит повысить точность определения места положения объекта, является наращивание численности группировки космических аппаратов (см. аналог). Также очевидно, что наращивание численности группировки космических аппаратов с одновременным изменением структуры существующей спутниковой навигационной системы, которая может быть проанализирована, как большая система, приведёт к её усложнению и, следовательно, снижению эффективности использования. Таким образом, существует актуальная задача создания более точной, модернизированной системы ГЛОНАСС, построенной путём наращивания группировки навигационных космических аппаратов без внесения изменений в уже сложившуюся конфигурацию спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, состоящую из двадцати четырёх навигационных космических аппаратов.An obvious direction in the development of satellite navigation systems, including the GLONASS system, which will improve the accuracy of determining the position of an object, is to increase the number of spacecraft constellations (see analogue). It is also obvious that the increase in the number of spacecraft constellations with a simultaneous change in the structure of the existing satellite navigation system, which can be analyzed as a large system, will lead to its complexity and, consequently, to a decrease in the efficiency of use. Thus, there is an urgent task of creating a more accurate, modernized GLONASS system, built by increasing the grouping of navigation spacecraft without making changes to the already existing configuration of the GLONASS satellite navigation system, consisting of twenty-four navigation spacecraft.

Первоначально каждому из двадцати четырёх навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС приписывалась своя литерная несущая частота, отстоящая от соседних несущих частот примерно на 0,5 МГц, причём на каждой из двадцати четырёх несущих частот излучалась в качестве дальномерного кода одна и та же М-последовательность длиной 511 двоичных единиц с хорошими автокорреляционными свойствами. С развитием международного сотрудничества количество литерных несущих частот пришлось сократить до шестнадцати, при этом часть противоположных навигационных космических аппаратов в одной плоскости (антиподы) стала попарно работать на одной и той же частоте. Наличие в системе антиподов на одной частоте на работу наземных потребителей никак не повлияло, однако возникли проблемы интерференции сигналов космических аппаратов – антиподов для космических аппаратов – потребителей с высотами орбит свыше примерно 209 км, практически с опорной орбиты и выше вплоть до предельной для потребителя системы ГЛОНАСС высоты в 2000 км. Данная проблема была успешно решена за счёт хороших автокорреляционных свойств дальномерной М-последовательности, причём проблема поиска дополнительных несущих частот для наращивания численности группировки навигационных космических аппаратов в системе ГЛОНАСС решена не была.Initially, each of the twenty-four GLONASS navigation spacecraft was assigned its own letter carrier frequency, which was approximately 0.5 MHz apart from neighboring carrier frequencies, and the same M-sequence with a length of 511 binary signals was emitted as a ranging code on each of the twenty-four carrier frequencies units with good autocorrelation properties. With the development of international cooperation, the number of letter carrier frequencies had to be reduced to sixteen, while part of the opposing navigation spacecraft in the same plane (antipodes) began to work in pairs at the same frequency. The presence of antipodes at a single frequency in the system did not affect the work of terrestrial consumers, however, there were problems with the interference of signals from spacecraft — antipodes for spacecraft — consumers with orbit heights above about 209 km, practically from a reference orbit up to the limit for the consumer GLONASS system heights of 2000 km. This problem was successfully solved due to the good autocorrelation properties of the rangefinder M-sequence, and the problem of finding additional carrier frequencies to increase the number of navigational spacecraft constellations in the GLONASS system was not solved.

Для решения указанной выше проблемы анализируется возможность отказа от многочастотного принципа построения системы ГЛОНАСС с одним дальномерным кодом для всех навигационных космических аппаратов и переход к используемому в системе GPS Navstar одночастотному принципу построения навигационной спутниковой системы с индивидуальным дальномерным кодом для каждого навигационного космического аппарата. Анализируя возможность предпочтения для использования в спутниковых навигационных системах частотного или же кодового разделения, можно обратить внимание на отсутствие в системе ГЛОНАСС классического частотного разделения. Разделение каналов в системе ГЛОНАСС происходит исключительно за счёт корреляционного приёма дальномерных сигналов. Осуществляют приём в целом шумоподобного сигнала длиной в одну миллисекунду. Ширина спектра такого сигнала на выходе корреляционного приёмника составляет ~2 кГц. При наличии допплеровского сдвига на 10-15 кГц разнесение несущих частот на 0,5 МГц делает сигналы разных навигационных космических аппаратов совершенно ортогональными, за исключением навигационных космических аппаратов – антиподов, когда разделение каналов двух навигационных космических аппаратов обеспечивается хорошими автокорреляционными свойствами дальномерной М-последовательности системы ГЛОНАСС. Эти свойства сигналов ГЛОНАСС имеют явные преимущества перед совокупностью сигналов GPS, в которой уровень межканальных помех возрастает пропорционально количеству одновременно видимых навигационных космических аппаратов.To solve the above problem, we analyze the possibility of abandoning the multi-frequency principle of constructing a GLONASS system with one range-finding code for all navigation spacecraft and the transition to the single-frequency principle of building a navigation satellite system used in GPS Navstar with an individual range-finding code for each navigation spacecraft. Analyzing the possibility of preference for using frequency or code division in satellite navigation systems, one can pay attention to the absence of a classical frequency division in the GLONASS system. The separation of channels in the GLONASS system occurs solely due to the correlation reception of rangefinder signals. One millisecond length signal is generally received. The width of the spectrum of such a signal at the output of the correlation receiver is ~ 2 kHz. In the presence of a Doppler shift of 10-15 kHz, a separation of the carrier frequencies by 0.5 MHz makes the signals of different navigation spacecraft completely orthogonal, with the exception of navigation spacecraft - antipodes, when the separation of the channels of two navigation spacecraft is ensured by good autocorrelation properties of the range-finding M-sequence of the system GLONASS. These properties of GLONASS signals have clear advantages over a set of GPS signals, in which the level of inter-channel interference increases in proportion to the number of simultaneously visible navigation spacecraft.

Существующее преимущество спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС может быть использовано для её дальнейшего совершенствования без изменения существующей структуры. Необходимо найти по меньшей мере одну M-последовательность длиной 511 единиц с такими же хорошими автокорреляционными свойствами, как у М-последовательности существующей многочастотной системы ГЛОНАСС, и с хорошими взаимокорреляционными свойствами этих М-последовательностей для их кодового разделения. Предложенные схемы формирования М-последовательностей первого (существующая M-последовательность) и второго (новая M-последовательность) видов приведены на фиг. 1. Существующий дальномерный код сигнала ГЛОНАСС средней точности используют для навигационных космических аппаратов с номерами от 1 до 24. Данный дальномерный код представляет собой М-последовательность длины 511 единиц, периода 1 мс, формируемую 9-разрядным регистром сдвига с отводной последовательностью (5, 9). Сдвиг в регистре выполняется от ячейки с меньшим номером к ячейке с большим номером. С периодичностью 1 раз в 1 мс в регистр устанавливается начальное состояние. М-последовательность снимается с последней ячейки регистра. Дополнительный дальномерный код сигнала ГЛОНАСС средней точности предлагается использовать для навигационных космических аппаратов с номерами от 25 до 48. Он отличается от существующего дальномерного кода тем, что используется другая отводная последовательность, например (2, 4, 7, 9), и другое начальное состояние.The existing advantage of the GLONASS satellite navigation system can be used for its further improvement without changing the existing structure. It is necessary to find at least one M-sequence with a length of 511 units with the same good autocorrelation properties as the M-sequence of the existing GLONASS multi-frequency system, and with good cross-correlation properties of these M-sequences for their code separation. The proposed schemes for the formation of M-sequences of the first (existing M-sequence) and second (new M-sequence) types are shown in FIG. 1. The existing rangefinder code of the GLONASS signal of medium accuracy is used for navigation spacecraft with numbers from 1 to 24. This rangefinder code is an M-sequence of 511 units, 1 ms period, formed by a 9-bit shift register with a tap sequence (5, 9 ) A shift in the register is performed from a cell with a lower number to a cell with a higher number. With a frequency of 1 time in 1 ms, the initial state is set in the register. M-sequence is removed from the last cell of the register. It is proposed to use an additional rangefinder GLONASS signal code of medium accuracy for navigation spacecraft with numbers from 25 to 48. It differs from the existing rangefinder code in that it uses a different tap sequence, for example (2, 4, 7, 9), and a different initial state.

Корреляционные свойства этих двух дальномерных кодов следующие: средний квадрат пика периодической взаимной корреляционной функции равен минус 27,08 дБ (вычислено при одном отсчете на символ дальномерного кода); максимальный квадрат пика периодической взаимной корреляционной функции равен минус 23,8 дБ; максимальный квадрат бокового пика периодической автокорреляционной функции равен минус 54,17 дБ. Полученные взаимокорреляционные свойства совпадают с известными корреляционными свойствами кодов Голда длины 511, а автокорреляционные свойства совпадают с известными свойствами M-последовательностей. Для того чтобы можно было по первым символам на периоде различить дальномерные коды, начальное состояние M-последовательности второго вида предполагается выбрать отличным от начального состояния M-последовательности первого вида. Предложенная отводная последовательность для дополнительного дальномерного кода не является единственной. Аналогичные взамокорреляционные свойства могут быть получены с использованием любой из отводных последовательностей, приведенных в таблице 1. Это позволяет для космических аппаратов – антиподов в дополнение системы ГЛОНАСС выбрать различные возможные М-последовательности с минимальными четырьмя отводами, что гарантирует надёжное разделение сигналов космических аппаратов антиподов дополнения на одной несущей частоте.The correlation properties of these two range-finding codes are as follows: the average square of the peak of the periodic cross-correlation function is minus 27.08 dB (calculated for one sample per symbol of the range-finding code); the maximum square of the peak of the periodic cross-correlation function is minus 23.8 dB; the maximum square of the lateral peak of the periodic autocorrelation function is minus 54.17 dB. The obtained cross-correlation properties coincide with the known correlation properties of Gold codes of length 511, and the autocorrelation properties coincide with the known properties of M-sequences. In order to be able to distinguish ranging codes by the first characters in the period, the initial state of the M-sequence of the second kind is supposed to be selected different from the initial state of the M-sequence of the first kind. The proposed tap sequence for the additional ranging code is not unique. Similar non-correlation properties can be obtained using any of the tap sequences shown in Table 1. This allows antipodes for space vehicles to supplement the GLONASS system to select various possible M-sequences with at least four taps, which ensures reliable separation of the signals of the antipodes space vehicles of the complement to single carrier frequency.

Орбитальное построение заявленной дополнительной системы аналогично исходной системе ГЛОНАСС, но с разворотом орбитальных плоскостей по долготе в промежуток между орбитальными плоскостями исходной системы ГЛОНАСС на 60º (см. фиг. 2).The orbital construction of the claimed additional system is similar to the original GLONASS system, but with a rotation of the orbital planes in longitude between the orbital planes of the original GLONASS system by 60º (see Fig. 2).

Claims (1)

Модернизированная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС, включающая существующую группировку N1 базовых навигационных космических аппаратов спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, для которых используют формирование сигнала на основе M-последовательности первого вида, отличающаяся тем, что включает группировку N2 дополнительных навигационных космических аппаратов, для которых используют формирование сигнала на основе М-последовательности второго вида, где N2 дополнительных навигационных космических аппаратов представляют собой двадцать четыре навигационных космических аппарата, расположенных аналогично исходной системе ГЛОНАСС в трёх промежуточных по долготе плоскостях относительно орбитальных плоскостей исходной системы ГЛОНАСС.The upgraded GLONASS satellite navigation system, including the existing grouping N1 of basic navigation spacecraft of the GLONASS satellite navigation system, for which use signal generation based on the M-sequence of the first kind, characterized in that it includes the grouping N2 of additional navigation spacecraft for which use signal generation on based on the M-sequence of the second kind, where N2 of additional navigation spacecraft represent oboj twenty-four navigation satellites, arranged in a similar original GLONASS system in the three intermediate longitudinal planes relative to the orbital plane of the original GLONASS.

Images