СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ И СТАНЦИЯМИ
METHOD OF DETERMINING DISTANCE BETWEEN SPACECRAFT AND STATIONS

Настоящее изобретение относится к области космической навигации и геодезии, а более точно - к способам измерения расстояний между космическим аппаратом и станциями.
Настоящее изобретение может быть использовано для навигационной привязки с повышенной точностью (за счет учета влияния ионосферы Земли на результаты измерений) космических аппаратов по отношению к станциям слежения, которые могут быть стационарными, мобильными, наземными, космическими и т.д.
Кроме того, настоящее изобретение с наибольшим успехом может быть использовано для определения с повышенной точностью местонахождения вышеупомянутых станций, в том числе, как указывалось, наземных станций, и дистанционного определения параметров ионосферы в зонах их местонахождения.
Также, настоящее изобретение может быть использовано в системах мониторинга параметров ионосферы Земли, в том числе для последующего использования данных в системах глобального позиционирования объектов (GPS, Gallileo, ГЛОНАСС и др.), с целью учета параметров ионосферы и повышения, тем самым, точности позиционирования определяемых объектов.
В настоящее время большое внимание уделяется решению задач геодезии и геофизики, как, например, прогнозированию землетрясений, определению «подвижек» литосферных плит Земли, определению параметров ее вращения и так далее. В связи с этим все большее применение находит космическая техника, в частности космические аппараты, используемые для определения местонахождения станций в текущий момент времени с помощью определения расстояний от станций до этих космических аппаратов. При этом предъявляются высокие требования к ограничению времени определения расстояний между космическим аппаратом и станциями и к повышению точности измерения этих расстояний, в частности за счет учета влияния ионосферы на результаты измерений.
Предшествующий уровень техники
Известен способ определения расстояний между космическим аппаратом и станциями (патент РФ №2323860), включающий излучение первичного радиосигнала с основной станции в направлении на космический аппарат, прием первичного радиосигнала на космическом аппарате, ретрансляцию первичного радиосигнала с космического аппарата в направлении на основную станцию, прием первичного радиосигнала на основной станции, измерение моментов излучения и приема соответственно первичных радиосигналов на основной станции, радиосвязь конечным радиосигналом космического аппарата с по меньшей мере одной дополнительной станцией путем ретрансляции первичного радиосигнала с космического аппарата на дополнительную станцию, приемом первичного радиосигнала на дополнительной станции, преобразованием его в конечный радиосигнал путем ретрансляции в направлении на космический аппарат и приемом конечного радиосигнала на космическом аппарате, ретрансляцию конечного радиосигнала с космического аппарата в направлении на основную станцию и прием его на основной станции, измерение момента приема конечного радиосигнала на основной станции, измерение доплеровских сдвигов несущих частот радиосигналов, принятых на основной станции, измерение интервалов времени, по которым судят о расстоянии между космическим аппаратом и основной и дополнительной станциями.
По данному способу для получения повышенной точности определения расстояний между космическим аппаратом и станциями путем учета влияния ионосферы возможно использование математических моделей, которые оценивали бы изменения групповой и фазовой скоростей распространения радиосигналов в ионосфере в местах нахождения станций по метеоданным и ионосферным данным, полученным независимыми методами (см., например: ICD-GPS-200, Revision С, U.S.Government, October 10, 1993, стр.120-125; http://www.navcen.uscg.gov/gps/geninfo/IS-GPS-200D.pdf).
Это ограничивает точность определения расстояний между космическим аппаратом и станциями и требует дополнительного времени для получения этих данных и их обработки.
Кроме того, по данному способу появляется дополнительная возможность дистанционного определения в реальном масштабе времени задержек радиосигналов в ионосфере и интегральной электронной концентрации ТЕС при определении расстояний между космическим аппаратом, основной и дополнительной станциями.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка способа определения расстояний между космическим аппаратом и станциями, позволяющего уменьшить погрешности, связанные с влиянием ионосферы на результаты определения расстояний между космическим аппаратом и станциями, то есть повышение точности определения расстояния между космическим аппаратом и станциями.
Кроме того, целью настоящего изобретения является обеспечение возможности дистанционного получения данных об ионосфере и интегральной электронной концентрации ТЕС в зонах расположения станций при определении расстояний между космическим аппаратом, основной и дополнительной станциями.
Поставленные цели достигаются тем, что дополнительно ретранслируют первичный радиосигнал с космического аппарата в виде, по меньшей мере, одного дополнительного первичного сигнала в направлении на основную станцию, принимают дополнительный первичный радиосигнал на основной станции и измеряют момент приема этого сигнала, ретранслируют первичный радиосигнал с космического аппарата в направлении дополнительной станции в виде, по меньшей мере, одного дополнительного первичного сигнала, принимают его на дополнительной станции и ретранслируют в виде дополнительного конечного радиосигнала в направлении на космический аппарат, принимают его на космическом аппарате и ретранслируют его с космического аппарата в виде, по меньшей мере, одного дополнительного конечного сигнала в направлении на основную станцию, принимают конечный радиосигнал и дополнительный конечный радиосигнал на космическом аппарате и ретранслируют их в виде соответственно вспомогательного конечного и/или вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала в направлении на основную станцию, принимают указанные радиосигналы на основной станции и измеряют моменты приема этих сигналов, а в качестве интервалов времени, по которым дополнительно судят о расстоянии между космическим аппаратом, основной и дополнительной станциями, измеряют интервалы времени между моментом излучения первичного радиосигнала с основной станции, моментами приема на основной станции первичного и дополнительного первичного радиосигналов и моментами приема на основной станции конечного радиосигнала, дополнительного конечного радиосигнала, вспомогательного конечного радиосигнала и/или вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала.
Задачи, которые должны быть решены посредством изобретения
В основу изобретения была положена задача разработки способа определения расстояний между космическим аппаратом и станциями, имеющего такие дополнительные операции, радиосвязь между космическим аппаратом и дополнительной станцией осуществлялась бы такими сигналами, а измерение интервалов времени, по которым судят о расстоянии между космическим аппаратом и основной и дополнительной станциями, осуществлялось бы между такими моментами, что измерение интервалов времени между моментами излучения радиосигналов с основной станции и приема радиосигналов на основной станции позволяло бы учесть влияние ионосферы на результаты определения расстояний и соответствовало бы местоположению космического аппарата в одной и той же точке орбиты.
Метод решения задач
Это достигается тем, что в способе определения расстояний между космическим аппаратом и станциями, включающем излучение первичного радиосигнала с основной станции в направлении на космический аппарат, прием первичного радиосигнала на космическом аппарате, ретрансляцию первичного радиосигнала с космического аппарата в направлении на основную станцию, прием первичного радиосигнала на основной станции, измерение моментов излучения и приема соответственно первичных радиосигналов на основной станции, осуществление радиосвязи конечным радиосигналом космического аппарата с, по меньшей мере, одной дополнительной станцией путем ретрансляции первичного радиосигнала с космического аппарата на дополнительную станцию, приемом первичного радиосигнала на дополнительной станции, преобразованием его в конечный радиосигнал путем ретрансляции в направлении на космический аппарат и приемом конечного радиосигнала на космическом аппарате, ретрансляцию конечного радиосигнала с космического аппарата в направлении на основную станцию и прием его на основной станции, измерение момента приема конечного радиосигнала на основной станции, измерение доплеровских сдвигов несущих частот радиосигналов, принятых на основной станции, измерение интервалов времени, по которым судят о расстоянии между космическим аппаратом и основной и дополнительной станциями,
дополнительно ретранслируют первичный радиосигнал с космического аппарата в виде, по меньшей мере, одного дополнительного первичного сигнала в направлении на основную станцию, принимают дополнительный первичный радиосигнал на основной станции и измеряют момент приема этого сигнала, ретранслируют первичный радиосигнал с космического аппарата в направлении дополнительной станции в виде, по меньшей мере, одного дополнительного первичного сигнала, принимают его на дополнительной станции и ретранслируют в виде дополнительного конечного радиосигнала в направлении на космический аппарат, принимают его на космическом аппарате и ретранслируют его с космического аппарата в виде, по меньшей мере, одного дополнительного конечного сигнала в направлении на основную станцию, принимают конечный радиосигнал и дополнительный конечный радиосигнал на космическом аппарате и ретранслируют их в виде соответственно вспомогательного конечного и/или вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала в направлении на основную станцию, принимают указанные радиосигналы на основной станции и измеряют моменты приема этих сигналов, а в качестве интервалов времени, по которым дополнительно судят о расстоянии между космическим аппаратом, основной и дополнительной станциями, измеряют интервалы времени между моментом излучения первичного радиосигнала с основной станции, моментами приема на основной станции первичного и дополнительного первичного радиосигналов и моментами приема на основной станции конечного радиосигнала, дополнительного конечного радиосигнала, вспомогательного конечного радиосигнала и/или вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала.
Кроме того, при приеме первичного, конечного, дополнительного конечного радиосигналов на космическом аппарате и ретрансляции этих радиосигналов с космического аппарата в виде первичного и дополнительного первичного сигналов, конечного, дополнительного конечного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного сигналов когерентное преобразование радиосигналов при ретрансляции осуществляют при выполнении следующего условия:
;
где  - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде первичного, конечного и дополнительного конечного радиосигналов;
- коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде дополнительного первичного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов.
1
Целесообразно, чтобы в качестве интервалов времени, по которым дополнительно судят о расстоянии между космическим аппаратом в каждом из его местонахождений на орбите и дополнительной станцией, измеряли интервалы между моментами излучения и приема первичного радиосигнала, моментами излучения первичного радиосигнала и приема дополнительного первичного радиосигнала и моментами приема первичного и дополнительного первичного радиосигналов на основной станции, а о расстоянии (l) между космическим аппаратом и основной станцией судили по соотношению:
где с - скорость распространения радиоволн;
11
t - момент приема первичного радиосигнала на основной станции;
12
t - момент приема дополнительного первичного радиосигнала на основной станции;
0
t - момент излучения первичного радиосигнала с основной станции.
2
Желательно, чтобы конечный радиосигнал, принятый на космическом аппарате, ретранслировали в виде конечного и вспомогательного конечного сигналов в направлении на основную станцию, дополнительный конечный радиосигнал, принятый на космическом аппарате, ретранслировали в виде дополнительного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов в направлении на основную станцию, а в качестве интервалов времени, по которым дополнительно судят о расстоянии между космическим аппаратом в каждом из его местонахождений на орбите и дополнительной станцией, измеряли интервалы между суммой моментов приема первичного и дополнительного первичного радиосигналов и соответственно суммой моментов приема конечного и вспомогательного конечного радиосигналов и суммой моментов приема дополнительного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов на основной станции, а о расстоянии (l) между космическим аппаратом и дополнительной станцией судили по соотношению:
1
211
где: N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
2
212
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема вспомогательного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
3
221
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
4
222
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
11
t - момент приема первичного радиосигнала, принятого на основной станции;
12
t - момент приема дополнительного первичного радиосигнала, принятого на основной станции.
1
2
3
4
Разумно, чтобы указанные доплеровские сдвиги (N, N, N, N) частот несущей конечных радиосигналов определяли из соотношений:
1
1
0
1
211
1
0
N=(mf-f-)/(2mf);
2
2
0
2
212
2
0
N=(mf-f-)/(2mf);
3
1
0
1-221
1
0
N=(mf-f)/(2mf);
4
2
0
2
222
2
0
N=(mf-f-)/(2mf); где:
1
m - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде первичного, конечного и дополнительного конечного радиосигналов;
2
m - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде дополнительного первичного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов;
0
f - частота несущей первичного радиосигнала, излученного с основной станции;
1-211
f - несущая частота конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1-212
f - несущая частота вспомогательного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1-221
f - несущая частота дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
2-222
f - несущая частота вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции.
Кроме того, в случае множества дополнительных станций измерение интервалов времени между моментом излучения первичного радиосигнала с основной станции, моментами приема на основной станции первичного и дополнительного первичного радиосигналов и моментами приема на основной станции конечного радиосигнала, дополнительного конечного радиосигнала, вспомогательного конечного радиосигнала и/или вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала, по которым судят о расстоянии между космическим аппаратом и каждой из множества дополнительных станций, осуществляют для одного и того же первичного радиосигнала, излученного с основной станции.
Краткое описание чертежей
Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут показаны ниже при рассмотрении описания примеров его конкретного выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает структурную схему известной геодезической системы, реализующей патентуемый способ определения расстояний между космическим аппаратом и станциями;
Фиг.2 изображает схематически временную последовательность приема и передачи радиосигналов на станциях и космическом аппарате при реализации патентуемого способа определения расстояний между космическим аппаратом и станциями.
Подробное описание изобретения
Способ реализован на известной геодезической системе (Патент РФ №2323860).
1
2
3
Известная геодезическая система содержит основную 1 (фиг.1) и дополнительную 2 станции, каждая из которых имеет соответственно антенну 3, 4. По орбите 5, условно показанной пунктиром, указано перемещение космического аппарата 6, имеющего антенну 7, через ее точки 8 (В), 9 (В) и 10 (В). На фигуре 1 также даны условно обозначенные радиосигналы: первичный радиосигнал 11, излученный с основной станции 1, находящейся в точке А, в направлении на космический аппарат 6, первичный радиосигнал 12, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1, дополнительный первичный радиосигнал 13, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1, первичный радиосигнал 14, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на дополнительную станцию 2, и дополнительный первичный радиосигнал 15, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на дополнительную станцию 2, конечный радиосигнал 16, ретранслированный с дополнительной станции 2 в направлении на космический аппарат 6, дополнительный конечный радиосигнал 17, ретранслированный с дополнительной станции 2 в направлении на космический аппарат 6, конечный радиосигнал 18, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1, вспомогательный конечный радиосигнал 19, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1, дополнительный конечный радиосигнал 20, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1, и вспомогательный дополнительный конечный радиосигнал 21, ретранслированный с космического аппарата 6 в направлении на основную станцию 1.
1
1
Первичные радиосигналы 11, 12, 14 определены при нахождении космического аппарата 6 в точке 8 (B) орбиты 5. Дополнительные первичные радиосигналы 13, 15 определены при нахождении космического аппарата 6 в точке 8 (В) орбиты 5.
2
Конечные радиосигналы 16, 18 и вспомогательный конечный радиосигнал 19 определены, соответственно, при нахождении космического аппарата 6 в точке 9 (В) орбиты 5 и дополнительной станции 2 в точке D.
3
Дополнительные конечные радиосигналы 17, 20 и вспомогательный дополнительный конечный радиосигнал 21 определены, соответственно, при нахождении космического аппарата 6 в точке 10 (В) орбиты 5 и дополнительной станции 2 в точке D.
На Фиг.2 схематически показаны временные последовательности приема и передачи радиосигналов на станциях и космическом аппарате при реализации патентуемого способа определения расстояний между космическим аппаратом и станциями. Нумерация указанных радиосигналов соответствует нумерации радиосигналов, отображенных на Фиг.1.
1
2
Схематически на Фиг.2 показаны: h - условная высота, на которой начинает проявляться влияние ионосферы в зоне основной станции 1; h - условная высота, на которой начинает проявляться влияние ионосферы в зоне дополнительной станции 2; r - условная толщина слоя ионосферы.
Способ реализуют следующим образом.
0
1
1
1
2
1
1
2
2
1
3
На основной станции 1 (А) формируют и излучают с помощью антенны 3 в направлении движущегося по орбите 5 космического аппарата 6 первичный радиосигнал 11 с частотой несущей f. Этот радиосигнал 11 принимают антенной 7 космического аппарата 6, находящегося в точке 8 (B) орбиты 5, и когерентно (т.е. с сохранением фазовых соотношений и с коэффициентом преобразования m) ретранслируют в направлении на основную 1 и дополнительную 2 станции соответственно первичным сигналом 12 и первичным сигналом 14. Кроме того, радиосигнал 10 принимают антенной 7 космического аппарата 6, находящегося в точке 8 (B) орбиты 5, и когерентно (с коэффициентом преобразования m) ретранслируют в направлении на основную 1 и дополнительную 2 станции соответственно дополнительными первичными сигналами 13 и 15. При этом дополнительная станция 2 находится в точке D. Затем принимают первичный радиосигнал 12 и дополнительный первичный радиосигнал 13 на основной станции 1. Принимают первичный радиосигнал 14 антенной 4 дополнительной станции 2, находящейся в точке D, когерентно преобразуют его (с коэффициентом преобразования 1/m) в конечный радиосигнал 16 ретрансляцией в направлении на космический аппарат 6 и принимают конечный радиосигнал 16 на космическом аппарате 6, который за это время переместится из точки 8 (B) в точку 9 (В) орбиты 5. Принимают дополнительный первичный радиосигнал 15 антенной 4 дополнительной станции 2, находящейся в точке D, когерентно преобразуют его (с коэффициентом преобразования 1/m) в конечный радиосигнал 17 ретрансляцией в направлении на космический аппарат 6 и принимают дополнительный конечный радиосигнал 17 на космическом аппарате 6, который за это время переместится из точки 8 (В) в точку 10 (В) орбиты 5.
0
11
12
11
0
12
0
0
11
12
11
0
12
0
1
1
Измеряют момент t (Фиг.2) излучения первичного радиосигнала 11 с основной станции 1, момент t приема первичного радиосигнала 12 на основной станции 1, момент t приема дополнительного первичного радиосигнала 13 на основной станции 1 и измеряют интервалы (t-t) и (t-t) времени, определяемые соответственно моментами t, t и t. Затем по измеренным интервалам времени (t-t) и (t-t) определяют расстояние l между космическим аппаратом 6, находящимся в точке 8 (B) орбиты 5, и основной станцией 1 из следующего соотношения:
где с - скорость распространения радиоволн.
1
1
b1
11
0
12
0
Расстояние 1 между космическим аппаратом 6, находящимся в точке 8 (B) орбиты 5, и основной станцией 1 соответствует моменту времени T=t=[(t+t)/4+(t+t)/4].
2
1
2
2
1
2
3
Для определения расстояния 1 между космическим аппаратом 6 и дополнительной станцией 2 ретранслируют конечный радиосигнал 16 в виде конечного радиосигнала 18 (с коэффициентом преобразования m) и вспомогательного конечного радиосигнала 19 (с коэффициентом преобразования m) с космического аппарата 6, находящегося в точке 9 (В) орбиты 5, в направлении на основную станцию 1. Ретранслируют дополнительный конечный радиосигнал 17 в виде дополнительного конечного радиосигнала 20 (с коэффициентом преобразования m) и вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала 21 (с коэффициентом преобразования m) с космического аппарата 6, находящегося в точке 10 (В) орбиты 5, в направлении на основную станцию 1. В общем случае несущие частоты всех радиосигналов (за исключением излученного с основной станции радиосигнала 10, имеют доплеровские сдвиги частот, вызванные перемещением космического аппарата 6 относительно станций 1 и 2.
211
212
221
222
211
212
12
11
221
222
12
11
1
2
3
4
Принимают конечный радиосигнал 18 и вспомогательный конечный радиосигнал 19 на основной станции 1 и измеряют соответственно моменты t и t приема этих сигналов. Принимают дополнительный конечный радиосигнал 20 и вспомогательный дополнительный конечный радиосигнал 21 на основной станции 1 и измеряют соответственно моменты t и t приема этих сигналов. После этого измеряют интервалы времени: [(t+t)-(t+t)] и [(t+t)-(t+t)]. Кроме того, определяют доплеровские сдвиги (N, N, N, N) частот несущей радиосигналов из соотношений:
1
1
0
1-211
1
0
N=(mf-f)/(2mf);
2
2
0
2-212
2
0
N=(mf-f)/(2mf);
3
1
0
1-221
1
0
N=(mf-f)/(2mf);
4
2
0
2-222
2
0
N=(mf-f)/(2mf); где:
где  - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде первичного, конечного и дополнительного конечного радиосигналов;
- коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде дополнительного первичного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов.
0
f - частота несущей первичного радиосигнала, излученного с основной станции;
1-211
f - несущая частота конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1-212
f - несущая частота вспомогательного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1-221
f - несущая частота дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
2-222
f - несущая частота вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1
2
выбирают коэффициенты преобразования m и m, удовлетворяющие следующему условию:
2
Наконец, о расстоянии (l) между космическим аппаратом и дополнительной станцией судят по соотношению:
1
2
1
Найденные значения расстояний l и l соответствуют нахождению космического аппарата 6 в точке 8 (В) орбиты 5, то есть моменту Т приема первичного радиосигнала 10 на космическом аппарате 6, определяемому из соотношения:
0
1
0
12
0
1
2
Т=[t+(t+t)/4+(t+t)/4] при выполнении вышеуказанного условия выбора коэффициентов преобразования m и m.
Рассмотрим подробнее соотношения, иллюстрирующие реализацию предлагаемого способа. Для простоты рассмотрим «двухчастотный» вариант реализации способа, то есть вариант, когда ретранслируют на космическом аппарате один дополнительный первичный радиосигнал, один дополнительный конечный радиосигнал и один вспомогательный дополнительный конечный радиосигнал. В случае, если на космическом аппарате ретранслируют по два радиосигнала в вышеуказанном наборе, то будет реализован «трехчастотный» вариант предлагаемого способа.
1
Интервал времени прохождения радиосигнала 10 (Фиг.1 и Фиг.2) от станции 1 (А) до космического аппарата 6 (точка B) можно выразить как:
с - скорость распространения радиоволн;
ion1f0
0
trop1
app1
err1
τ - дополнительная задержка радиосигнала 10 с частотой несущей f при прохождении ионосферы; τ - задержка при прохождении сигналом тропосферы; τ - задержки в аппаратуре; τ - задержки за счет других факторов.
Для радиосигналов 11 и 12 можно написать:
ion1f1
1
ion1f2
2
app2
app3
где τ - дополнительная задержка радиосигнала 11 с частотой несущей f при прохождении ионосферы; τ - дополнительная задержка радиосигнала 12 с частотой несущей f при прохождении ионосферы; τ, τ - задержки в аппаратуре.
Некоторые составляющие уравнений (1), (2) и (3) могут быть определены и учтены известными методами:
trop1
app1
app2
app3
err1
err2
err3
τ - моделированием по метеоданным, τ, τ, τ - калибровками, τ, τ, τ - учетом релятивистских и других эффектов, аппроксимацией и т.д. (см., например, «Bernese GPS Software Version 5.0» Edited by Rolf Dach, Urs Hugentobler, Pierre Fridez, Michael Meindl, January 2007, Astronomical Institute, University of Bern).
Для наглядности и простоты дальнейшего рассмотрения временно положим, что вышеуказанные составляющие известны или могут быть определены, и на первом этапе они не учитываются при определении расстояний между космическим аппаратом и станциями.
При реализации предлагаемого способа исходные значения измеренных моментов времени приема радиосигналов на основной станции и интервалов времени будут корректироваться с учетом известных значений вышеуказанных составляющих.
Рассмотрим возможность учета ионосферных задержек при определении расстояний между космическим аппаратом 6 и станциями 1 и 2.
Из уравнений (1), (2) и (3) получим:
ion
http://adsc.gfz-potsdam.de/prare/papers/ Florenz97/IonCalVal /florenz_ioncalval.htm1
Известно (например [2]), что величина групповой и фазовой задержки τ сигналов обусловлена влиянием ионосферы, их величина непосредственно связана с интегральной электронной концентрацией (ТЕС) в ионосфере вдоль пути сигналов в ионосфере (см., например, «Modeling The Ionosphere With Prare» Frank Flechtner, Stefan Bedrich, Andreas Teubel, GeoForschungsZentrum Potsdam, Germany ; «Определение ионосферной погрешности измерения псевдодальностей в одночастотной аппаратуре систем ГЛОНАСС И GPS» М.Ю.Казанцев, Ю.Л.Фатеев, Красноярский государственный технический университет, 15 декабря 2002 г.; http://jre.cplire.ru/jre/dec02/6/text.html):
3
2
16
2
где f - частота несущей [Гц] радиосигнала, с - скорость света [м/сек] и Ne- электронная плотность [электрон/м]. Знак коррекции положителен для сигналов дальности (групповая скорость <с) и, соответственно, отрицателен для доплеровских измерений (фазовая скорость >с); ТЕС - интегральная электронная концентрация вдоль пути S сигнала в ионосфере [электронов/м]; 10 электрон/м определяются как 1 единица TEC - (TECU).
Тогда (6) можно выразить следующим образом:
Для исключения в уравнении (8) задержек, связанных с ионосферой, наложим условие:
, т.е.
или
где  - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде первичного, конечного и дополнительного конечного радиосигналов;
- коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде дополнительного первичного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов.
1
2
0
0
1
2
Иными словами, частоты несущих радиосигналов, к которым преобразуется исходная частота несущей принятого радиосигнала, выбирают таким образом, чтобы полусумма задержек времени прохождения в ионосфере радиосигналов с номинальными частотами f и f была равна задержке времени прохождения в ионосфере радиосигнала на частоте f для одной и той же трассы. При этом реальные значения несущих частот f, f и f могут отличаться от номинальных за счет доплеровских сдвигов, но эти отличия настолько мало влияют на задержку сигналов в ионосфере, что ими можно пренебречь.
При выполнении (9) уравнение (8) можно преобразовать, как:
b1
0
11
12
2t=[2t+t+t]/2, или
b1
Уравнение (10) определяет момент времени t приема и ретрансляции радиосигнала 10 на космическом аппарате 6. При выборе параметров когерентного преобразования радиосигналов на космическом аппарате 6 в соответствии с уравнением (9) определение этого момента не будет зависеть от значений электронной концентрации электронов ТЕС.
b1
0
11
12
1
1
Далее, определив t и зная измеренные значения t, t и t, можно определить значения интегральной электронной концентрация (TEC) вдоль пути радиосигнала в ионосфере по трассе AB:
ion1f0
0
1
Определяют значение групповой задержки τ радиосигнала 10 с несущей частотой f на трассе AB, обусловленной влиянием ионосферы.
1
1
b1
1
Окончательно расстояние l (AB) от основной станции 1 до космического аппарата 6 (соответствующее моменту t приема и ретрансляции радиосигнала 10 на космическом аппарате 6 в точке 8 (B)) определяют по уравнению:
где с - скорость распространения радиоволн;
0
t - момент излучения первичного радиосигнала 11 с основной станции;
11
t - момент приема первичного радиосигнала 12 на основной станции 1;
12
t - момент приема дополнительного первичного радиосигнала 13 на основной станции 1.
1
2
Рассмотрим прохождение радиосигналов по трассе BD. Радиосигнал 10 принимается и когерентно ретранслируется на космическом аппарате 6 и в виде радиосигналов 13 и 14. их принимают на дополнительной станции 2, которая в момент приема находится в точке D.
db
где V - скорость изменения расстояния между космическим аппаратом и дополнительной станцией 2.
Учитывая, что ошибка при измерении дальности за счет задержки радиосигнала в ионосфере может составлять величину порядка 100 метров, можно показать, что:
метра.
3
2
Ввиду малости этой разности (BD-BD) для простоты при дальнейшем рассмотрении ею можно пренебречь (что не мешает при необходимости впоследствии учесть эту величину при окончательных расчетах) и можно считать, что
3
2
BD=BD и тогда (17) приводится к;
Для радиосигналов (17), (18), (19), (20) справедливы следующие соотношения:
tropi
appi
erri
Как было сказано выше, далее считаем известными и не учитываем компоненты τ, τ и τ.
Рассмотрим разности выражений (19) и (21) с учетом (14) и (15):
21
1
С учетом выражения (7) можно определить значение интегральной электронной концентрация (ТЕС) вдоль пути радиосигнала в ионосфере по трассе BD:
Аналогично рассмотрим разности выражений (20) и (22) с учетом (14) и (15):
22
1
С учетом выражения (7) из уравнения (25) можно определить значение интегральной электронной концентрации (ТЕС) вдоль пути радиосигнала в ионосфере по трассе BD:
Рассмотрим далее разности выражений (19) и (20):
и
и разности выражений (21) и (22):
221
222
ion4f1
ion4f2
t-t=τ-τ
и
ion4f0
0
2
Определяют значение групповой задержки τ радиосигналов 18, 19, приведенной к несущей частотой f на трассе ВА, обусловленной влиянием ионосферы.
ion2f0
0
1
Определяют значение групповой задержки τ радиосигналов 14, 15, приведенной к несущей частотой f на трассе BD, обусловленной влиянием ионосферы.
ion3f0
0
2
2
Таким образом, по данным измерений моментов излучения и приема радиосигналов на основной станции определяют составляющие значений групповых задержек радиосигналов τ 11, 14, 15, 18, 19, 20, 21, приведенных к несущей частотой f, на трассах AB1, BD и ВА.
1
2
0
Аналогично, рассматривая влияние ионосферы на фазовые скорости радиосигналов, справедливо сделать вывод, что (при условии (9)) полусумма доплеровских сдвигов на несущих частотах f и f равна доплеровскому сдвигу на несущей частоте f для радиосигналов, распространяющихся по одной и той же трассе от космического аппарата до дополнительной станции.
2
1
Далее, применяя подход, подробно изложенный в прототипе (патент РФ №2323860), определяют расстояние 1 (BD) от космического аппарата 6 до дополнительной станции 2:
При реализации способа (в т.ч. при формировании, кодировании, передаче, преобразовании, приеме и обработке радиосигналов, коррекции тропосферных, аппаратурных и других составляющих измерений) могут быть использованы известные аппаратурные и программные решения, подобные примененным в PRARE (http://geodaf.mt.asi.it/html_old/prare/prare.html) - системе точного определения дальности, приращений дальности и параметров ионосферы, а также используемые в системах глобального позиционирования GPS, ГЛОНАСС, Galileo, WAAS и др. (см., например, http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps/_ftoc.html, http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/documents/technical_en.htm, http://glonass-gps.blogspot.com/).
При определении расстояний кроме доплеровского сдвига частоты N можно использовать и другие соотношения, содержащие информацию о доплеровском сдвиге частот излученных и принятых радиосигналов, например доплеровский счет за определенный интервал времени, отношение мгновенных значений частот, интегральный доплеровский счет и т.д., преобразовав соответствующие уравнения.
Кроме того, по мере создания новых моделей и алгоритмов, связывающих величины групповой и фазовой задержек радиосигналов (7) с параметрами ионосферы, могут быть нужным образом скорректированы вышеуказанные соотношения (8) и (9), определяющие выбор коэффициентов преобразования частот при когерентных ретрансляциях радиосигналов. Также для повышения точности предлагаемого способа могут быть использованы многочастотные измерения.
Эффективность изобретения
Настоящее изобретение позволяет проводить синхронные измерения расстояний между космическим аппаратом, основной и дополнительными станциями (количество одновременно работающих дополнительных станций не ограничено), с повышенной точностью (за счет учета влияния ионосферы Земли на результаты измерений) в реальном масштабе времени. При этом обеспечивается повышенная точность и оперативность измерения расстояний между космическим аппаратом и станциями, так как их определение производится сразу после получения данных измерений. Не требуется знания точных параметров орбит этих космических аппаратов, так как определение этих параметров может быть произведено также непосредственно в процессе измерений.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает излучение, прием, обработку всех радиосигналов на одной станции, что дает возможность дистанционно и синхронно определять значения интегральной электронной концентрация (ТЕС) на трассах распространения радиосигналов от космического аппарата до станций без необходимости сбора и передачи дополнительных данных.
Также настоящее изобретение дает возможность устанавливать автономные дополнительные станции в сейсмоопасных труднодоступных районах для определения их координат и значений интегральной электронной концентрации (ТЕС) в ионосфере в зоне установки этих станций.
Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано совместно с космическими системами зондирования атмосферы Земли, а также с системами позиционирования для взаимной навигационной привязки космических аппаратов, используемых в системе глобального позиционирования объектов (GPS, Gallileo, ГЛОНАСС, WAAS, EGNOS и др.), с целью уточнения орбит космических аппаратов, входящих в систему, их взаимного положения и положений станций слежения, данных для ионосферной коррекции и повышения тем самым точности позиционирования определяемых объектов (см., например, http://www.glonass-center.ru/; ; http://www.gallileolonass-center.ru/).
Кроме того, предлагаемый способ может быть использован для взаимной синхронизации и привязки различных навигационных систем (GPS, Gallileo, ГЛОНАСС и др.) друг к другу с целью создания глобальной системы коррекции ионосферных ошибок при позиционировании и повышения тем самым точности определения координат объектов с помощью любой из этих систем или их комплекса.
Создание объединенной сети автономных станций в сейсмоопасных районах всей планеты может позволить вести текущий мониторинг состояния ионосферы и смещения локальных точек поверхности Земли с привязкой к единой системе координат и выявлением локальной динамики и общих закономерностей, рассматривая Землю в целом как физическое тело, подвергающееся различного вида возмущениям различной природы.
Перечень позиций и буквенных обозначений, используемых в описании изобретения.
1
2
3
1 - основная станция; 2 - дополнительная станция; 3 - антенна станции 1; 4 - антенна станции 2; 5 - орбита космического аппарата; 6 - космический аппарат; 7 - антенна космического аппарата; 8 - точка (В) орбиты 5 космического аппарата; 9 - точка (В) орбиты 5 космического аппарата; 10 - точка (В) орбиты 5 космического аппарата; 11 - первичный радиосигнал; 12 - первичный радиосигнал; 13 - дополнительный первичный радиосигнал; 14 - первичный радиосигнал; 15 - дополнительный первичный радиосигнал; 16 - конечный радиосигнал; 17 - дополнительный конечный радиосигнал; 18 - конечный радиосигнал; 19 - вспомогательный конечный радиосигнал; 20 - дополнительный конечный радиосигнал; 21 - вспомогательный дополнительный конечный радиосигнал;
1
0
l - расстояние между космическим аппаратом 6 и основной станцией 1; t - момент излучения первичного радиосигнала 10 с основной станции 1;
2
1
l - расстояние между космическим аппаратом 6 в момент его местонахождения в точке 8 (В) орбиты 5 и дополнительной станцией 2; с - скорость распространения радиоволн;
11
t - момент приема первичного радиосигнала на основной станции;
12
t - момент приема дополнительного первичного радиосигнала на основной станции;
0
t - момент излучения первичного радиосигнала с основной станции;
1
211
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
2
212
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема вспомогательного конечного радиосигнала на основной станции;
3
221
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема дополнительного конечного радиосигнала на основной станции;
4
222
N и t - соответственно доплеровский сдвиг несущей частоты и момент приема вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала на основной станции;
11
12
t - момент приема первичного радиосигнала на основной станции; t - момент приема дополнительного первичного радиосигнала на основной станции;
1
2
m - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде первичного, конечного и дополнительного конечного радиосигналов; m - коэффициент преобразования частоты несущей радиосигнала при его когерентной ретрансляции на космическом аппарате в виде дополнительного первичного, вспомогательного конечного и вспомогательного дополнительного конечного радиосигналов;
0
1-211
1-212
1-221
2-222
f - частота несущей первичного радиосигнала, излученного с основной станции; f - несущая частота конечного радиосигнала, принятого на основной станции; f - несущая частота вспомогательного конечного радиосигнала, принятого на основной станции; f - несущая частота дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции; f - несущая частота вспомогательного дополнительного конечного радиосигнала, принятого на основной станции;
1
2
h - условная высота, на которой начинает проявляться влияние ионосферы в зоне основной станции 1; r - условная толщина слоя ионосферы; h - условная высота, на которой начинает проявляться влияние ионосферы в зоне дополнительной станции 2.