А.М. Алешечкин, А.П. Романов,

Сибирский федеральный университет, Институт инженерной физики и радиоэлектроники, 660074, Россия, Красноярск, ул. Киренского, 28

Аннотация. В представленном докладе рассмотрен метод повышения точности местоопределения по сигналам радионавигационных систем наземного базирования. Повышение точности достигается на основе взаимного приема сигналов береговыми опорными станциями наземной радионавигационной системы и определения поправок к шкалам времени станций на основе известных значений их координат. Вычисленные значения поправок передаются каждой из опорных станций в составе их навигационных сигналов. Потребитель навигационной информации принимает сигналы опорных станций, проводит измерения радионавигационных параметров, а также выделяет из сигналов береговых станций информацию о рассогласовании временных шкал, что позволяет компенсировать погрешность, обусловленную несинхронностью сигналов опорных станций радионавигационной системы.

Ключевые слова – радионавигационные, синхронизация, местоопределение, координаты, погрешности, компенсаторы, приемники, передатчики.

[1]Введение

В настоящее время к РНС предъявляются повышенные требования к точности и достоверности радионавигационных определений, кроме того РНС должны позволять решать задачи наземной поддержки потребителей СРНС. Такая поддержка может быть реализована путем возложения на РНС функций передачи дифференциальных поправок к сигналам СРНС, что реализуется путем размещения в составе опорных станций (ОС) РНС контрольно-корректирующих станций (ККС) СРНС. При этом выбираемая структура сигналов РНС должна позволять передавать в составе навигационных сигналов блоки цифровой информации, несущие данные дифференциальной коррекции и служебные сообщения с заданной скоростью.

Повышение точности радионавигационных определений в РНС невозможно без решения другой проблемы – синхронизации шкал времени (ШВ) ОС, что обеспечивает задание единой системной шкалы времени (СШВ) РНС.

[2]Методы синхронизации станций радионавигационных систем

В СРНС ГЛОНАСС и GPS реализация СШВ осуществляется путем установки на борт каждого из навигационных космических аппаратов (НКА) высокоточных стандартов частоты и времени и определении параметров ухода ШВ НКА по результатам измерений, выполняемых станциями наземного комплекса управления (НКУ). Информация о значениях корректирующих коэффициентов полиномов, аппроксимирующих уход часов, закладывается на борт НКА СРНС с передающих станций НКУ по выделенному радиоканалу [1].

В РНС для реализации единой СШВ могут быть использованы следующие способы:

1. 
   Дифференциальный режим РНС, требующий наличия контрольного пункта (КП), находящегося в точке с известными заранее координатами. При этом результаты измерений КП используются для вычисления корректирующих поправок для каждой из ОС к СШВ. Полученные значения корректирующих поправок каждой из ОС к СШВ передаются по выделенному радиоканалу в эфир. Потребители РНС измеряют значения радионавигационных параметров и принимают сигналы КП, несущие информацию о поправках к шкалам времени ОС, или поправок к значениям радионавигационных параметров (РНП). Используя принятую корректирующую информацию, потребитель исправляет результаты собственных измерений, в результате чего устраняются погрешности, вызванные рассогласованием временных шкал ОС, а также коррелированные составляющие погрешностей на трассе распространения сигналов [2].
   
2. 
   Использование в составе ОС высокостабильных квантовых стандартов частоты и использование возимых стандартов частоты для периодических сличений шкал времени ОС и введения поправок в СШВ [3, 4].
   
3. 
   Калибровка РНС по методам взаимного контроля ОС и по измерениям в море на контрольной точке [2]. Первый способ реализуется путем определения значений корректирующих поправок на основе взаимного контроля сигналов ОС и ввода полученных поправок в сигналы каждой из ОС. Второй способ реализуется путем определения поправок к сигналам всех ОС РНС в контрольном пункте с известными координатами, находящимся в море, после чего полученные при калибровке значения поправок вводятся в состав излучаемых сигналов ОС.
   
4. 
   Синхронизация РНС, основанная на использовании внешних источников, например, СРНС.
   

Дифференциальный метод ввода поправок имеет недостаток, состоящий в необходимости выделения специального радиоканала для передачи поправок в реальном времени, организации и облуживании КП, разработки аппаратуры потребителей РНС с учетом необходимости приема дополнительных сигналов, излучаемых КП.

Второй метод требует наличия возимого стандарта частоты, организации перевозок этого стандарта между станциями системы, проведения сличений временных шкал возимого стандарта и стандартов частоты ОС.

Недостатком третьего метода является то, что во время проведения калибровки требуется выводить РНС из штатного режима, что приводит к прерыванию обеспечения потребителей информацией о координатах. Кроме того, с течением времени, прошедшего от момента последней калибровки, информация о поправках устаревает, вследствие взаимного расхождения ШВ ОС, обусловленного долговременной нестабильностью частоты используемых стандартов частоты и времени, что приводит к постепенной деградации точности определений.

Реализация четвертого метода возможна лишь при наличии приеме сигналов СРНС, в результате чего РНС с синхронизацией по СРНС теряет автономность.

Наличие указанных недостатков явилось побудительным мотивом для разработки метода синхронизации ОС наземной РНС, позволяющего в значительной степени снизить влияние перечисленных недостатков.

[3]Описание предлагаемого способа синхронизации станций наземной РНС

Рис. 1. Расположение ОС и БС РНС

Точка располагается так, чтобы исключить возможное затенение излучения сигнала от антенны точки , а также возможные затенения точки приёма антенной ОС точки при излучении сигналов от точек и .

Время распространения сигналов между точками и _{определяется из выражения:}

,

где – разность расстояний на трассах и ; – скорость распространения электромагнитных волн в пространстве.

Расстояния и вычисляются по известным координатам точек , и .

Аналогично, время распространения сигналов на трассе будет определено в соответствии с выражением:

где – разность расстояний на трассах и .

При приёме в точке сигнала, излученного из точки в момент времени можно измерить время [5]. Следует отметить, что передатчики всех ОС излучают сигналы в одно и то же известное время, то есть по отношению к началу собственных шкал времени (рис. 2).

Рис. 2. Эпюры сигналов навигационной системы

Аналогично, при приеме в точке сигнала, излученного из точки в момент времени можно измерить время . В этом случае погрешность часов в точке относительно точки будет равна .

При приёме в точке сигнала, излученного из точки в момент времени можно измерить время распространения сигнала на трассе :

,

где – измеренная величина псевдозадержки распространения сигналов на трассе АМ.

В свою очередь, при приеме в точке сигнала, излученного в момент времени из точки можно измерить время распространения сигнала на трассе :

,

где – измеренное значение псевдо-задержки распространения сигнала на трассе ВМ.

Аналогичным образом, при приёме в точке сигнала, излученного из точки в момент времени определяется время распространения сигнала на трассе CM в соответствии с выражением:

,

где – измеренное значение псевдо-задержки распространения сигнала на трассе СМ.

Координаты места точки расположения БС M можно определить путем решения системы трех уравнений для псевдодальностей, измеренных БС (M) до ОС1 (А), ОС2 (B) и ОС3 (С), имеющей вид:

, (1)

где , , – известные координаты точки А (ОС1), точки B (ОС2) и С (ОС3) соответственно; и – определенные в точке А и передаваемая в составе сигнала ОС1 (А) информация об отклонении ШВ точек B и С по отношению к СШВ, задаваемой ОС1; – неизвестное отклонение ШВ БС (M) по отношению к СШВ, в рассмотренном случае соответствующее шкале времени ОС1, расположенной в точке А.

Таким образом, приведенная система уравнений (1) содержит 3 уравнения с тремя неизвестными и может быть разрешена на практике, например, при помощи итерационного метода Ньютона [1]. При наличии избыточных результатов псевдодальномерных измерений система (1) решается с использованием традиционного для радионавигационных определений метода наименьших квадратов [1].

Вычисление погрешности часов осуществляется на основе приема в точке сигнала, излученного из точки B. Удаление приёмной антенны (точка ) от излучающей антенны (точка А) составляет не более половины длины волны.

В настоящее время с целью экономии частотного ресурса наиболее перспективным способом разделения сигналов ОС РНС является кодовый метод разделения сигналов. Данный способ предусматривает излучение сигналов ОС РНС, модулированных псевдослучайными последовательностями, обладающими хорошими авто – и взаимокорреляционными свойствами [5].

При работе с кодовым разделением сигналов ОС РНС все станции работают на одной частоте, а излучаемые сигналы ОС перекрываются во времени. В этом случае, с целью исключения воздействия мощного сигнала от ближайшей излучающей антенны (точка ), в приёмнике (точка ) используется автокомпенсатор (АК) мощного сигнала [6], реализованный в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема автокомпенсатора мощного сигнала

Автокомпенсатор включает в себя полосовой фильтр (ПФ), обеспечивающий необходимую избирательность по соседнему каналу, блок восстановления формы мощного сигнала (БВС), линию задержки (ЛЗ), величина задержки в которой соответствует времени, необходимому для формирования сигнала в БВС, схему управления корреляционной обратной связью (К), сумматор (∑) и блок измерения погрешностей часов (БИПЧ).

При натурных испытаниях с излучающей антенной [7] при её действующей высоте =6 м с током 25 А в АК на выходе ПФ уровень сигнала составляет 0.8 В на приемной антенне с действующей высотой = 1.5 м, находящейся на расстоянии от излучающей. При этом, при приеме сигналов от ОС, находящейся на расстоянии, например, 500 км при длине волны сигналов =200 м уровень сигнала в антенне составляет около 1 мкв при расположении трассы распространения сигналов над морем [8, с. 321 – 322]. Исходя из приведенных данных, для приема сигнала удаленной ОС, требуется подавить мощный сигнал своей ОС в раз. Указанная величина подавления вполне реализуема при помощи предлагаемого автокомпенсатора.

В этом случае сигналы от антенн B и C через антенну будут поступать на вход приемника (рис. 4), при этом мощный сигнал от антенны A будет подавлен при помощи автокомпенсатора рис. 3, а сигналы от антенн B и C будут приниматься без искажений. Это позволит в приемнике определять величины погрешностей часов и , после чего передавать их в модулятор передатчика ОС_А для излучения их в составе навигационных сигналов для коррекции ШВ ОС2 (B) и ОС3 (C) бортовой станцией M (рис. 4).

Рис. 4. Приёмо-передающая система ОС

С целью получения минимальной погрешности измерения координат, точкой A должна являться точка с минимальным удалением от места расположения БС (М), так как в этом случае значение псевдозадержки распространения сигнала будут измеряться при больших отношениях сигнал/шум, а значит с меньшей погрешностью.

Для реализации этого режима требуется оснастить все ОС приемными устройствами (рис. 5).

Рис. 5. Геометрическая схема РНС с тремя приемопередающими ОС

При построении РНС в соответствии с рис. 5 приемное устройство БС будет выбирать из сигналов трех принимаемых ОС наиболее мощный, и использовать информацию о погрешностях часов двух других ОС, переданных составе данного сигнала.

Передача информации о поправках к ШВ может быть осуществлена в виде резервных сообщений стандарта передачи дифференциальных поправок RTCM SC-104 [9].

[4]Заключение

Предложенные методы повышения точности определения координат БС и повышения метрологических характеристик РНС в целом могут найти применение в современных РНС с широкополосными сигналами.

Литература

1. 
   Шебшаевич, В.С. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. // Под ред. В.С. Шебшаевича. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь. – 1993. – 408 с.: ил.
   
2. 
   Болошин, С.Б. Радионавигационные системы сверхдлинноволнового диапазона / С.Б. Болошин и др. // М.: Радио и связь. – 1985.
   
3. 
   Nard G. Geoloc: Spread spectrum concept applied in new accurate medium-long range radiopositioning system / G. Nard // France, 1984. – Sercel.
   
4. 
   Syledis network design // Sercel. – France. – 1985.
   
5. 
   Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин // М.: Радио и связь. – 1985. – 384 с., ил.
   
6. 
   Романов, А.П. Система компенсации структурной помехи в виде псевдослучайного сигнала / А.П. Романов // Датчики и системы – №3. – 2011.
   
7. 
   Айзенберг, Г. З. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С. П. Белоусов и др. // М.: Радио и связь. – 1985.
   
8. 
   Кугушев, А.М. Основы радиоэлектроники / А.М. Кугушев, Н.С. Голубева // М.: «Энергия». – Москва. – 1969.
   
9. 
   RTCM Recommended Standards For Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service. Future Version 2.2. Future successor to RTCM recommended standards for differential NAVSTAR GPS Service Version 2.1. RTCM Special Committee № 104. March 1, 1996.