Автоматизированная система навигации с контролем аномальных измерений координат от спутниковых радионавигационных систем
AUTOMATED NAVIGATION SYSTEM WITH CONTROL OF ANOMALOUS MEASUREMENTS OF COORDINATES FROM SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEMS

Изобретение относится к области навигации наземных транспортных средств, а именно к комплексной навигационной аппаратуре на основе аппаратуры счисления координат и спутниковой навигационной системы.
Существуют системы (см. патент RU №2195632 C2, опубл. 27.12.2002), реализующие принципы построения навигационных комплексов на основе инерциальных навигационных систем и спутниковой навигационной аппаратуры. Комплексная аппаратура счисления координат (КАСК) включает в свой состав путевую систему (ПС1), курсовую систему (КС2), вычислитель координатных скоростей (ВКС3), интегратор (И4), сумматор (5), блок ввода начальных координат (БВНК6), позиционную навигационную аппаратуру (ПНА7), блоки сравнения параметров (БСП8, БСП9), блоки ввода поправки или коррекции (БВПК10, БВПК11) и фильтры (Ф12, Ф13), а для обеспечения точной работы устройства в паузах работы ПНА7 в него введены преобразователи плановых координат в радиальные (ППКР14, ППКР15), преобразователь радиальных координат в приращения плановых координат (ПРКППК16), формирователь приращений позиционных координат (ФППК17) ПНА, блок режима начальной установки (БРНУ18) и блок дифференцирования (БД19) с фильтром (Ф20).
Недостатком представленного устройство, является то, что применение систем, основанных на приеме радиосигналов от спутников, требует дополнительно решения задачи защиты от аномальных измерений, возникающих при выполнении процедуры измерений в аппаратуре приема, что и отсутствует в аналоге. Аномальные измерения возникают вследствие захвата следящей системой шумовых выбросов радиосигнала. Это возможно, при малых отношениях сигнал/шум на входе приемного устройства, и обуславливается следующими причинами: затенением приемной антенны; влиянием канала распространения на радиосигнал (ионосферные задержки сигнала; тропосферные задержки сигнала); возникновением многолучевости распространения радиосигнала.
За прототип принята Автоматизированная система навигации и топопривязки (см. патент RU №2439497 C1, опубл. 10.01.2012).
Автоматизированная система навигации и топопривязки (АСНТ) состоит из аппаратуры счисления координат, в качестве основного элемента которой используется бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), оснащенной датчиком скорости механическим (ДСМ), датчиком скорости доплеровским (ДСД) и барометрическим высотомером (БВ), спутниковой навигационной аппаратуры (СНА), бортовой ЭВМ, выносного комплекса спутниковой навигационной аппаратуры (ВК СНА), устройства контроля качества (УКК) навигационных полей спутниковых систем и формирования корректирующей информации. Бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) оснащена вычислителем навигационных параметров (ВНП), выполненным с возможностью автоматического учета температурных поправок, а в качестве датчиков первичной информации БИНС используются инерциальные датчики: лазерные гироскопы (ЛГ) и кварцевые акселерометры (КА). Спутниковая навигационная аппаратура (СНА), основой которой является приемоиндикатор (ПИ), оснащена антенной системой (АС), состоящей из четырех антенных модулей (AM). Бортовая ЭВМ связана с барометрическим высотомером (БВ), состоящим, в свою очередь, из датчика температуры  (ДТ), измерителя цифрового атмосферного давления (ИЦАД) и блока обработки данных (БОД), а через блок согласования (БС) – с датчиком скорости механическим (ДСМ) и датчиком скорости доплеровским (ДСД). Кроме того, она оснащена периферийными устройствами: клавиатурой (К), видеомонитором (ВМ), устройством документирования (УД), манипулятором графической информации (МГИ). Выносной комплекс спутниковой навигационной аппаратуры (ВК СНА), состоящий из носимого приемоиндикатора (НПИ) и антенны геодезической (АГ), оснащен переносным накопителем навигационной информации (ННИ). Бортовая ЭВМ связана по соответствующим каналам обмена и управления с вышеперечисленной аппаратурой, дополнительно – с аппаратурой передачи данных (АПД).
Недостатком представленной системы является отсутствие алгоритма определения аномальных измерений, возникающих в аппаратуре приема радиосигналов спутниковой радионавигационной системы. Аномальные измерения могут приводить к существенным ошибкам определения текущих координат местоположения объекта. Максимальная ошибка радиальной погрешности определения координат местоположения объекта при пересечении линий положения под углом девяносто градусов может достигать значение порядка 245 метров.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании автоматизированной системы навигации с выявлением аномальных измерений координат спутниковой радионавигационной системой, за счет введения схемы разрешения использования информации спутниковой навигационной аппаратуры, которая позволяет выявить факт неточного определения координат спутниковой радионавигационной системой и не допустить выдачу этих данных для совместной обработки с информацией других датчиков, таким образом, повышая точность  системы.
На фиг. 1 приведена структурная схема автоматизированной системы навигации с контролем аномальных измерений координат от спутниковых радионавигационных систем.
Отличительной особенностью
Автоматизированная система навигации с контролем аномальных измерений координат от спутниковых радионавигационных систем состоит из аппаратуры счисления координат, в качестве основного элемента которой используется бесплатформенная инерциальная навигационная система 1 (БИНС), оснащенной датчиком скорости механическим 2 (ДСМ), датчиком скорости доплеровским 3 (ДСД) и барометрическим высотомером 4 (БВ), спутниковой навигационной аппаратуры 5 (СНА), бортовой ЭВМ 6, выносного комплекса спутниковой навигационной аппаратуры 7 (ВК СНА), устройства контроля качества 8 (УКК) навигационных полей спутниковых систем и формирования корректирующей информации. Бесплатформенная инерциальная навигационная система 1 (БИНС) оснащена вычислителем навигационных параметров 9 (ВНП), выполненным с возможностью автоматического учета температурных поправок, а в качестве датчиков первичной информации БИНС используются инерциальные датчики: лазерные гироскопы 10 (ЛГ) и кварцевые акселерометры 11 (КА). Спутниковая навигационная аппаратура 5 (СНА), основой которой является приемоиндикатор 12 (ПИ), оснащена антенной системой 13 (АС), состоящей из четырех антенных модулей 14 (AM). Бортовая ЭВМ 6 связана с барометрическим высотомером 4 (БВ), состоящим, в свою очередь, из датчика температуры 15 (ДТ), измерителя цифрового атмосферного давления 16 (ИЦАД) и блока обработки данных 17 (БОД), а через блок согласования 18 (БС) – с датчиком скорости механическим 2 (ДСМ) и датчиком скорости доплеровским 3 (ДСД). Кроме того, она оснащена периферийными устройствами: клавиатурой 19 (К), видеомонитором 20 (ВМ), устройством документирования 21 (УД), манипулятором графической информации 22 (МГИ). Выносной комплекс спутниковой навигационной аппаратуры 7 (ВК СНА), состоящий из носимого приемоиндикатора 23 (НПИ) и антенны геодезической 24 (АГ), оснащен переносным накопителем навигационной информации 25 (ННИ). Бортовая ЭВМ 6 связана по соответствующим каналам обмена и управления с вышеперечисленной аппаратурой, дополнительно – с аппаратурой передачи данных 26 (АПД).  от прототипа является наличие схемы разрешения использования информации спутниковой навигационной аппаратуры 32 (СРИИСНА) на основе алгоритма выявления аномальных измерений координат местоположения спутниковой радионавигационной системы. В ее состав входят вычитающее устройство 27 (ВУ), умножающее устройство 28 (УУ), суммирующее устройство 29 (СУ), пороговое устройство 30 (ПУ) и ключевое устройство 31 (КУ).
Автоматизированная система навигации и топопривязки (АСНТ) работает следующим образом. Работа АСНТ построена на обработке входных данных с БИНС 1, ДСМ 2, ДСД 3, БВ 4, СНА 5, ВК СНА 7, УКК 8, АПД 26. Обработка данных осуществляется аппаратно-программными средствами, в которые входят: бортовая ЭВМ 6 с периферийными устройствами К 19, ВМ 20, УД 21, МГИ 22, БС 18.
Для выявления аномальных измерений навигационных данных спутниковой радионавигационной системой происходит сравнение информации о соответствующих координатах  на выходе бортовой ЭВМ 6 и навигационных данных  на выходе спутниковой навигационной аппаратуры 5. Результат сравнения навигационных данных можно представить в виде ,  и .
Ошибки ,  и  представляют собой разности между измеренными спутниковой навигационной аппаратурой 5 координатами местоположения объекта и значениями координат местоположения, полученными в результате совместной обработки информации от всех датчиков на выходе бортовой ЭВМ 6.
Ошибки , , и  носят случайный характер и распределены по гауссовскому (нормальному) закону. Значения среднеквадратических отклонений ошибок зависят от характеристик ионосферы, тропосферы, точности часов, установленных в аппаратуре приема сигналов спутниковой навигационной аппаратуры и на спутнике, и имеют значения, не превышающие определенных заранее рассчитанных значений , , , соответственно.
Сигналы с выхода спутниковой навигационной аппаратуры 5 и бортовой ЭВМ 6 поступают в схему разрешения использования информации спутниковой навигационной аппаратуры СРИИСНА 30. Схема включает в свой состав ключевое устройство КУ 31, пороговое устройство ПУ 30, суммирующее устройство СУ 29, умножающее устройство УУ 28 и вычитающее устройство ВУ 27. В вычитающем устройстве определяются ошибки , , и  между измеренными спутниковой навигационной аппаратурой 5 координатами местоположения объекта  и значениями координат местоположения , полученными в результате совместной обработки информации от всех датчиков на выходе бортовой ЭВМ 6. Ошибки , , и  являются взаимонезависимыми ортогональными случайными величинами, поэтому с вероятностью Р=0.997 для них выполняется неравенство
.
В нормальном (без аномальных измерений координат объекта) режиме работы спутниковой навигационной аппаратурой СНА 5 ошибка  не будет превышать значения величины .
В случае сбоев, проявляющихся в аномальном режиме работы спутниковой навигационной аппаратурой СНА 5, когда выдается информацию о координатах с большей ошибкой, и значения координат будут резко отличаться от тех, которые получаются с выхода бесплатформенной инерциальной навигационной системы БИНС 1, ошибка  будет превышать значения величины . В этом случае можно говорить об аномальных измерениях координат на выходе спутниковая навигационная аппаратура СНА 5.
Полученный на выходе вычитающего устройства 27 сигнал поступает на умножающее устройство 28, где значения соответствующих координат возводятся в квадрат, затем складываются в суммирующем устройстве 29. Полученный сигнал вида  на выходе СУ 29 поступает на пороговое устройство ПУ 30, имеющее порог . Данное устройство управляет работой ключевого устройства КУ 31. Если
,
то сигналы, поступающие с выхода  спутниковой навигационной аппаратурой СНА 5, проходят через ключевое устройство КУ 31 на вход бортовой ЭВМ 6. Если
,
то сигналы с выхода спутниковой навигационной аппаратурой СНА 5 не проходят через ключевое устройство КУ 31 на вход бортовой ЭВМ 6.
В результате, за счет введения схемы разрешения использования информации спутниковой навигационной аппаратуры, которая позволяет выявить факт аномальных измерений координат спутниковой радионавигационной системой и не допустить выдачу этих данных для совместной обработки с информацией других датчиков, тем самым повышая точность  системы, достигается технический результат.