Способ повышения точности дифференциальной коррекции навигационных параметров в длинноволновой системе определения местоположения

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для повышения точности определения координат подвижных объектов с помощью аппаратуры длинноволновых радионавигационных систем.

Местоположение навигационного приемника пользователя в длинноволновом диапазоне радиоволн оценивается по измеренным расстояниям от навигационного приемника до навигационных станций с помощью различных навигационных систем, включая Loran-C, Чайка, Марс-75 и др.

Из-за различных условий распространения радиоволн при оценке расстояний возникают погрешности, связанные с наличием задержек сигналов, порождаемых изменением скорости распространения радиоволн над земной поверхностью.

Радиоволны длинноволнового (ДВ) диапазона распространяются в нижних слоях атмосферы - тропосфере. В тропосфере скорость распространения радиоволн равна [1]

где с=299694 м/с - скорость в вакууме, n - коэффициент преломления атмосферы. Коэффициент n для радиоволн зависит от метеоусловий и может быть вычислен по формуле Смита и Вейнтрауба: [2, 3]

(n-1)10⁶=A(P+B),

где

A=77.6/Т; В=4810е/T; T=273.2+t°C;

P - атмосферное давление в миллибарах;

e - давление водяных паров (влажность) в миллибарах.

Из-за уменьшения скорости распространения возникают задержки сигналов, вносящие ошибки в измеряемые расстояния между навигационными станциями и навигационным приемником пользователя навигационных сигналов, что ухудшает оценку местоположения навигационного приемника пользователя.

Поскольку расстояния между навигационными станциями и навигационным приемником пользователя составляют сотни километров, то невозможно оценить атмосферное давление, температуру и влажность водяных паров, а это приводит к ошибке в оценке коэффициента преломления по этим параметрам и как результат к ошибке измеренных расстояний.

Существует способ уменьшения погрешностей в измерении расстояний от навигационных станций до ЛДПС и навигационного приемника пользователя за счет использования дифференциального режима [4]. Дифференциальный режим основан на том, что любые два близко расположенных приемника испытывают одни и те же атмосферные воздействия. В этом режиме используют локальную дифференциальную подстанцию с известными координатами, находящуюся на расстоянии в несколько десятков километров от приемника.

Поправки, связанные с изменением скорости распространения, измеряют в виде разностей между фактическими расстояниями R_флi (i=1, 2, …, K) от ЛДПС до НС_i и измеренными расстояниями R_илi

Эти поправки передаются на приемник потребителя, который учитывает их при оценке расстояний. Одновременно в приемнике проводят измерения расстояний R_ипi (i=1, 2, …, K) до НС_i с учетом атмосферных явлений. Затем определяют скорректированные расстояния

Таким образом, посредством применения дифференциального режима могут быть устранены задержки прохождения сигнала в тропосфере.

Недостатком данного способа является то, что поправки ΔR_лi рассчитываются для расстояний между ЛДПС и НС_i, в то время как между навигационным приемником пользователя и НС_i существуют другие расстояния, из-за этого поправки будут иметь погрешности.

Целью изобретения является устранение имеющейся погрешности в оценке расстояний и повышения точности определения координат навигационного приемника пользователя.

Поставленная цель достигается с помощью вычисления коэффициентов преломления тропосферы n_i, (i=1, 2, …, K) через фактические R_флi и измеренные R_илi расстояния между ЛДПС и НС_i

которые обеспечивают получение скорректированных расстояний R_спi между навигационными станциями и навигационным приемником пользователя

Сущность изобретения поясняется рисунком.

На фиг. 1 показана схема расположения навигационных станций, ЛДПС и судна с навигационным приемником пользователя, на фиг. 2 показана таблица исходных данных для моделирования, на фиг. 3 показана таблица результатов коррекции существующих алгоритмов, на фиг. 4 показана таблица результатов коррекции предложенным алгоритмом.

Способ повышения точности дифференциальной коррекции навигационных параметров в длинноволновой системе определения местоположения осуществляется следующим образом. Навигационные станции 1 (HC₁, НC₂, НC₃, …, НС_K) передают навигационные сигналы, которые принимают ЛДПС 2 и навигационный приемник потребителя 3.

ЛДПС 2 принимает навигационный сигнал от навигационных станций 1 и проводит измерения расстояний R_ипi (i=1, 2, …, K) до каждой навигационной станции 1 и после чего производит вычисления коэффициентов преломления тропосферы n_i, (i=1, 2, …, K) через фактические R_флi и измеренные R_илi расстояния между ЛДПС 2 и навигационными станциями 1 по формуле (4)

n_i=R_илi/R_флi, (i=1, 2, …, K).

Рассчитанные коэффициенты преломления тропосферы n_i передаются в навигационный приемник пользователя 3.

Навигационный приемник пользователя 3 измеряет расстояния до навигационных станций 1 и производит расчет скорректированных расстояний R_спi до этих навигационных станций путем деления каждого измеренного расстояния R_ипi от навигационных станций 1 до навигационного приемника пользователя 4 на коэффициент преломления тропосферы n_i по формуле (5)

R_спi=R_ипi/n_i.

Рассмотрим пример моделирования существующего и предлагаемого алгоритмов дифференциальной коррекции с расположением объектов в соответствии с Фиг. 1. При этом учтем, что по земному шару приземные значения коэффициента преломления (n-1)10⁶ находятся в пределах 240-400, а приведенные на уровень моря - 290-390 единиц [5].

В Таблице 1 в качестве исходных данных для примера приведены координаты четырех навигационных станций 1, объекта с навигационным приемником пользователя 3, ЛДПС 2 и исходные показатели преломления (n-1)10⁶ тропосферы на трассах от навигационных станций 1 до ЛДПС 2 и навигационного приемника пользователя 3.

Фактические расстояния между навигационными станциями 1 и ЛДПС 2, а также между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя рассчитаем соответственно по формулам

где x_i, y_i, i=1, 2, …, K - координаты навигационных станций 1, x_л, y_л - координаты ЛДПС 2, x_п, y_п - координаты навигационного приемника пользователя 3.

Измеренные расстояния между навигационными станциями 1 и ЛДПС 2, а также между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя 3 рассчитаем по формулам

Поправки в виде разностей между измеренными расстояниями R_флi от ЛДПС 2 до четырех навигационных станций 1 и фактическими расстояниями R_илi равны

Эти поправки передаются на навигационный приемник пользователя 3, который учитывает их при коррекции расстояний в существующем методе дифференциальной коррекции

С учетом исходных данных, приведенных в Таблице 1, и результатов расчета в Таблице 2 представлены:

- разности между измеренными и фактическими расстояниями от навигационных станций до ЛДПС, т.е. поправки, связанные с изменением скорости распространения радиоволн;

- разности между измеренными и фактическими расстояниями от навигационных станций до приемника;

- разности между скорректированными и фактическими расстояниями от навигационных станций до приемника, то есть погрешности коррекции.

Отметим, что расчеты проведены в предположении, что приемники ЛДПС 2 и пользователя 3 измеряют расстояния без погрешностей. То есть в данном численном эксперименте оцениваются только погрешности коррекции за счет различного местоположения ЛДПС 2 и навигационного приемника пользователя 3.

Из результатов расчета видно, что в данном примере максимальная погрешность коррекции расстояний с помощью ЛДПС 2 существующим алгоритмом составляет 13.7 м.

Далее для тех же исходных данных получим результаты коррекции расстояний предлагаемым алгоритмом.

Оценку коэффициентов преломления получим в соответствии с формулой (4)

n_i=R_илi/R_фл, i=1, 2, …, K.

Скорректированные расстояния между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя найдем с помощью (5)

R_спi=R_ипi/n_i, i=1, 2, …, K.

Результаты моделирования приведены в Таблице 3.

Из Таблицы 3 видно, что рассчитанные показатели преломления (n-1)10⁶ на трассах между навигационными станциями 1 и ЛДПС 2 совпали с исходными, а погрешности коррекции равны нулю.

То есть с учетом того, что среда прохождения радиоволн от навигационных станций 1 к ЛДПС 2 и навигационному приемнику пользователя 3 испытывает одни и те же атмосферные воздействия, предлагаемый алгоритм оценки расстояний с помощью локальной дифференциальной подстанции позволяет проводить более точные измерения расстояний между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя 3.

Рассмотрены существующий и предлагаемый методы коррекции измерения расстояний между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя 2 с использованием локальной дифференциальной подстанции.

В существующем методе корректирующие поправки для расстояний между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя 3 расчитываются как разности измеренных и фактических расстояний от ЛДПС 2 до навигационных станций 1. Однако из-за того, что между навигационным приемником пользователя 3 и навигационными станциями 1 существуют другие расстояния, эти поправки имеют погрешности.

В предложенном алгоритме по измеренным и фактическим расстояниям между ЛДПС 2 и навигационными станциями 1 рассчитываются показатели преломления среды распространения, используемые для коррекции измеренных расстояний от навигационного приемника пользователя 3 до навигационных станций 1.

Поскольку дифференциальный режим основан на том, что на среду распространения радиоволн от навигационных станций 1 до ЛДПС 2 и навигационного приемника пользователя 3 воздействуют одни и те же атмосферные явления, то предложенный способ коррекции дает более точные оценки расстояний.

Литература

1. Монаков А.А. Теоретические основы радиолокации / СПбГУАП. СПб.: 2002, 70 с.

2. Бин Б.Р., Даттон Е.Д. Радиометеорология. Л.: Гидрометиздат, 1971. 362 с.

3. Гуденко С.Ю. Влияние тропосферы на радиолокационное наблюдение объектов // Национальный университет «Одесская морская академия». Судовождение. 2016. Вып. 26. С. 84-92.

4. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т. 2. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. 360 с.

5. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. М.: ИКФ «Каталог», 2002. 106 с.