METHOD OF INCREASING OF NAVIGATION PARAMETERS DIFFERENTIAL CORRECTION ACCURACY IN A LONG-WAVE POSITIONING SYSTEM
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]
6
(n-1)10=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.
флi
i
илi
Поправки, связанные с изменением скорости распространения, измеряют в виде разностей между фактическими расстояниями R (i=1, 2, …, K) от ЛДПС до НС и измеренными расстояниями R
ипi
i
Эти поправки передаются на приемник потребителя, который учитывает их при оценке расстояний. Одновременно в приемнике проводят измерения расстояний R (i=1, 2, …, K) до НС с учетом атмосферных явлений. Затем определяют скорректированные расстояния
Таким образом, посредством применения дифференциального режима могут быть устранены задержки прохождения сигнала в тропосфере.
лi
i
i
Недостатком данного способа является то, что поправки ΔR рассчитываются для расстояний между ЛДПС и НС, в то время как между навигационным приемником пользователя и НС 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.
i
флi
илi
i
Поставленная цель достигается с помощью вычисления коэффициентов преломления тропосферы n, (i=1, 2, …, K) через фактические R и измеренные R расстояния между ЛДПС и НС
спi
которые обеспечивают получение скорректированных расстояний R 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.
1
2
3
K
Способ повышения точности дифференциальной коррекции навигационных параметров в длинноволновой системе определения местоположения осуществляется следующим образом. Навигационные станции 1 (HC, НC, НC, …, НС) передают навигационные сигналы, которые принимают ЛДПС 2 и навигационный приемник потребителя 3.
ипi
i
флi
илi
ЛДПС 2 принимает навигационный сигнал от навигационных станций 1 и проводит измерения расстояний R (i=1, 2, …, K) до каждой навигационной станции 1 и после чего производит вычисления коэффициентов преломления тропосферы n, (i=1, 2, …, K) через фактические R и измеренные R расстояния между ЛДПС 2 и навигационными станциями 1 по формуле (4)
i
илi
флi
n=R/R, (i=1, 2, …, K).
i
Рассчитанные коэффициенты преломления тропосферы n передаются в навигационный приемник пользователя 3.
спi
ипi
i
Навигационный приемник пользователя 3 измеряет расстояния до навигационных станций 1 и производит расчет скорректированных расстояний R до этих навигационных станций путем деления каждого измеренного расстояния R от навигационных станций 1 до навигационного приемника пользователя 4 на коэффициент преломления тропосферы n по формуле (5)
спi
ипi
i
R=R/n.
6
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)10 находятся в пределах 240-400, а приведенные на уровень моря - 290-390 единиц [5].
6
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)10 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
i
i
л
л
п
п
где x, y, i=1, 2, …, K - координаты навигационных станций 1, x, y - координаты ЛДПС 2, x, y - 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
флi
илi
Поправки в виде разностей между измеренными расстояниями R от ЛДПС 2 до четырех навигационных станций 1 и фактическими расстояниями R 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)
i
илi
фл
n=R/R, i=1, 2, …, K.
Скорректированные расстояния между навигационными станциями 1 и навигационным приемником пользователя найдем с помощью (5)
спi
ипi
i
R=R/n, i=1, 2, …, K.
Результаты моделирования приведены в Таблице 3.
6
Из Таблицы 3 видно, что рассчитанные показатели преломления (n-1)10 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.