СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПО СИГНАЛАМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
METHOD OF MEASURING RELATIVE POSITION OF OBJECTS FROM GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM SIGNALS

Изобретение относится к области дифференциальных навигационных систем и применимо для высокоточной навигации, геодезии, ориентации объектов в пространстве по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС - ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Bei Dou и другие), в которых осуществляется измерение псевдодальности до навигационных спутников по фазе несущих колебаний. В дифференциальных системах точное определение взаимного положения объектов производится по разностям псевдофазовых измерений, получаемых в разнесенных на местности навигационных приемниках.
Основной проблемой использования фазовых измерений является неоднозначность этих измерений, связанная с циклической природой фазы. Обычно раскрытие неоднозначности осуществляется по результатам измерений, полученным на нескольких эпохах, т.е. на относительно длительном интервале наблюдений с использованием фильтрации [1-3]. Известны также способы раскрытия неоднозначности фазовых измерений, относящихся к одной эпохе, на основе минимума среднеквадратической погрешности места определения, метода наименьших квадратов и функций неоднозначности, являющихся частным случаем метода максимального правдоподобия [1, 4-8].
Все известные [1-8] способы раскрытия неоднозначности основаны на нахождении целого числа циклов, содержащихся в разностях псевдофазовых измерений. Для повышения вероятности правильного раскрытия неоднозначности желательно увеличивать число измерений. Однако каждое новое неоднозначное измерение характеризуется своим неопределенным числом и поэтому увеличение числа измерений приводит к росту числа переменных, которые необходимо оценивать при обработке [1].
Предлагаемый способ позволяет определять взаимное положение объектов по неоднозначным фазовым измерениям, полученным для одной эпохи, без непосредственного вычисления целого числа циклов, содержащихся в первых разностях псевдофазовых измерений, и без использования вторых разностей. Он применим также при одновременном использовании нескольких различных ГНСС, например ГЛОНАСС и GPS.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности определения взаимного положения объектов при сокращении времени вычислений.
Взаимное положение объектов определяется вектором базисной линии, т.е. в рассматриваемых системах пространственными координатами линии, на концах которой находятся антенны, принимающие сигналы навигационных спутников.
Технический результат достигается тем, что Способ измерения взаимного положения объектов по сигналам глобальных навигационных спутниковых системах, заключается:
в приеме сигналов от двух или одной спутниковых группировок на две разнесенные приемные антенны, относительные координаты фазовых центров которых образует вектор базисной линии;
измерении в  первом и втором приемниках псевдодальностей по коду и псевдофазе («сырые» измерения);
нахождении по кодовым измерениям в геоцентрической системе координат приближенных значений координат первой приемной антенны {, } и второй приемной антенны {, }, а также параметров, определяющих расхождения временных шкал первого и второго приемников от системного времени спутниковых группировок GPS ( и ) и ГЛОНАСС ( и ) с учетом коррекции времени, внесенной первым и вторым приемниками в «сырые» измерения (при решении в нем навигационной задачи);
использовании найденных значений  () для определения смещений пространственного положения спутников в пересчете на моменты привязки измерений к временной шкале приемников;
задании в геоцентрической системе координат вектора базисной линии, начало которого находится в точке {, }, а конец - в области Q с центром в точке {, }, размеры которой определяются суммарными погрешностями вычислений координат первой и второй приемных антенн по кодовым измерениям и расхождением временных шкал этих приемников;
формировании первых разностей измеренных первым и вторым приемниками значений «код минус фаза» с учетом литерности сигналов ГЛОНАСС с выделением полной фазы
,                                                    (1)
где для спутников GPS , а для спутников ГЛОНАСС - ,
- дробные части первых разностей псевдофаз,
- неизвестные целые числа;
составлении системы уравнений, связывающих измеренные значения первых разностей псевдофаз (1) с координатами j-ого спутника {, } в момент излучения навигационного сигнала и искомыми смещениями координат конца вектора базисной линии  от приближенных значений этих координат {, }, найденных по кодовым измерениям
, j=1,…,n,            (2)
где  - длина волны излучаемого j-ым спутником несущего колебания,
- расстояние от j-ого спутника до второй приемной антенны, найденное по кодовым измерениям,
и  - неизвестные целые числа циклов в разностях псевдофаз соответственно для j-ого канала GPS и ГЛОНАСС, возникающие из-за расхождения временных шкал,
и  - дробные части разности начальных фаз (выраженные в метрах), возникающие из-за отличия фаз опорных генераторов первого и второго приемников при формировании сигналов в каналах GPS и  ГЛОНАСС, пересчитанные на номинальные частоты несущих колебаний (без учета литерности ГЛОНАСС),
,  - коэффициенты, характеризующие использование спутниковых группировок GPS и ГЛОНАСС в системе уравнений (2), а именно
,      =,
- суммарная погрешность измерения дробных частей разности псевдофаз, выраженная в метрах;
отличающийся тем, что для нахождения смещений  в области Q параллельно координатным осям проводят плоскости с интервалами , начиная от {, }, точки пересечения которых образуют узлы с координатами , где  - номера узлов по осям x, y, z;
представляют текущие величины искомых смещений координат на l-ом шаге поиска при r-ой итерации вычисления поправок  в виде
; ; ,
где  - номер узла (шага поиска решения),
- номер итерации вычисления поправок на l-ом шаге (для r=0 );
составляют систему линейных уравнений вида
,(3)
где  - расстояние от j-ого спутника до первой приемной антенны, вычисленное по кодовым измерениям,
- частные производные  в точке {, },
- определяемые на l-ом шаге при r-ой итерации дробные части разности начальных фаз,
- взаимные разности (выраженные в метрах) между вычисленными значениями первых разностей псевдофаз для найденных координат первой приемной антенны на l-ом шаге поиска для  итерации  и измеренными значениями ;
вычисляют значения первых разностей псевдофаз, соответствующих координатам первой приемной антенны в l-узле при , по формуле
;
формируют с учетом вычисленных значений  систему уравнений (3) для l-го узла при , удаляя из и  целое число длин волн (циклов фазы) без учета литерности ГЛОНАСС,
(4)
где  - означает операцию удаления целого числа;
решают систему уравнений (4) методом наименьших квадратов (МНК), находя ;
подставляют найденные решения в систему уравнений (3), переходя к следующей () итерации, и аналогичным образом находят поправки  и параметры ;
проверяют выполнение условий
, , ,
, ,                               (5)
если все они выполняются, то считают поиск смещений координат первой приемной антенны на l-ом шаге завершенным, если нет, то переходят к следующей () итерации. (Примечание. Если число итераций превышает 3, то продолжение вычислений считается нецелесообразным из-за наличия одного или более аномальных фазовых измерений - требуется отбраковка входных измерений);
обозначают соответствующие найденным на l-ом шаге поправкам значения смещения координат  и параметры и вводят вектор невязок следующим образом:
,  - для измерений GPS,
,  - для измерений ГЛОНАСС;
вычисляют среднеквадратическое отклонение невязок на l-ом шаге
,
и сравнивают его с априорно заданным порогом : если , то принимают найденные на l-ом шаге поиска координаты первой приемной антенны за искомые, в противном случае - переходят к  шагу,
если для всех шагов поиска , то за искомые координаты первой приемной антенны принимают координаты, определенные на том шаге поиска , для которого СКО невязок будет минимальным;
вычисляют для найденных на -ом шаге координат первой приемной антенны координаты вектора базисной линии: , , , определяющие взаимное положение объектов.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами.
На Фиг. 1 пример системы, реализующей способ измерения взаимного положения объектов по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, где:
1. Первая орбитальная  группировка навигационных спутников;
2. Вторая орбитальная  группировка навигационных спутников;
3. Первая приемная антенна;
4. Вторая приемная антенна;
5. Первый приемник;
6. Второй приемник;
7. Блок вычислений взаимного положения объектов.
На Фиг. 2 алгоритм работы блока вычислений взаимного положения объектов, где:
8. Предварительная обработка «сырых» измерений;
9. Решение навигационной задачи в геоцентрической системе координат (WGS84 или ПЗ-90) по кодовым измерениям для первого приемника;
10. Решение навигационной задачи в геоцентрической системе координат (WGS84 или ПЗ-90) по кодовым измерениям для второго приемника;
11. Формирование первых разностей псевдофазовых измерений «Код минус фаза»;
12. Проверка состояния «флага» инверсий первых разностей псевдофазовых измерений ГЛОНАСС, определенных в блоке 15 на предыдущем проходе;
13. Формирование текущего смещения координат  первой приемной антенны от координат {, } на l-ом шаге поиска в окрестности узла (заданного стратегией поиска) для r-ой итерации;
14. Вычисление взаимных разностей между выраженными в метрах первыми разностями псевдофаз, рассчитанными для найденных на l-ом шаге поиска при  итерации значений координат первой приемной антенны, и измеренными значениями ;
15. Анализ величин  на наличие целого числа длин волн;
16. Удаление целого числа длин волн (без учета литерности ГЛОНАСС) из  и ;
17. Составление линеаризированной формы левой части системы уравнений;
18. Решение системы уравнений МНК;
19. Анализ полученных значений;
20. Введение вектора невязок и вычисление среднеквадратического отклонения невязок на l-ом шаге поиска;
21. Принятие решения о статусе найденных на l-ом шаге поиска значениях координат;
22. Вычисление базисной линии для координат, найденных на  шаге поиска;
23. Выдача результатов потребителю.
Способ измерения взаимного положения объектов по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, работает следующим образом.
Первая и вторая приемные антенны (3,4) принимают сигналы от первой и второй орбитальных группировок навигационных спутников (1,2), например, ГЛОНАСС и GPS, которые поступают в первый и второй приемники (5,6) и в виде «сырых» измерений (кодовые псевдодальности от всех видимых спутников до первой и второй приемных антенн, псевдофазы, эфемериды спутников, дополнительная информация) передаются в блок вычислений взаимного положения объектов (7), алгоритм которого содержит следующие операции:
(8) Предварительная обработка «сырых» измерений (8) от первого и второго приемников (5,6), а именно:
• синхронизация «сырых» измерений от первого и второго приемников (5,6),
• выбор актуальных одномоментных измерений для первого и второго приемников (5,6),
GPS
Гл
• выбор рабочего созвездия из одновременно видимых приемными антеннами (3 и 4) спутников GPS (j = 1, …, n) и ГЛОНАСС (j = n + 1,…, n);
(9) Решение навигационной задачи в геоцентрической системе координат (WGS84 или ПЗ-90) по кодовым измерениям для первого приемника (5). В результате находятся:
• приближенные значения координат первой приемной антенны (3) {, },
• расхождение временных шкал первого приемника (5) от системного времени GPS - и ГЛОНАСС - ,
• смещение координат спутников на момент привязки измерений к временной шкале первого приемника (5);
(10) Решение навигационной задачи в геоцентрической системе координат (WGS84 или ПЗ-90) по кодовым измерениям для второго приемника (6). В результате находятся:
• приближенные значения координат второй приемной антенны (4) {, },
• расхождение временных шкал второго приемника (6) от системного времени GPS - и ГЛОНАСС - ,
• смещение координат спутников на момент привязки измерений к временной шкале второго приемника (6);
(11) Формирование первых разностей псевдофазовых измерений «код минус фаза», выраженных в метрах, с учетом влияния атмосферы, межлитерных задержек для ГЛОНАСС и другой информации - ,                  j = 1, …, n;
(12) Проверка состояния «флага» инверсий первых разностей псевдофазовых измерений ГЛОНАСС, определенных при операции 15 на предыдущем проходе (итерации) (при первом проходе «флаг» сброшен);
(13) Формирование текущего смещения координат первой приемной антенны (3) от координат {, } на l-ом шаге поиска в окрестности узла (заданного стратегией поиска) для r-ой итерации
,   ,   ,
где , ,  - искомые поправки к координатам узла на l-ом шаге поиска при r-ой итерации их вычисления;
(14) Вычисление взаимных разностей между выраженными в метрах первыми разностями псевдофаз, рассчитанными для найденных значений координат на l-ом шаге поиска при  итерации приемной антенны (3), и измеренными значениями
;
(15) Анализ величины  на наличие целого числа длин волн. Если на итерации r = 2 выполняется неравенство , то выставляется «флаг» инверсии (операция 12), прекращается обработка и идет возврат к операции 12;
(16) Удаление целого числа длин волн (без учета литерности ГЛОНАСС) из  и :
• вычисляется целое число длин волн в  по правилу:
,
(оператор Int (x) означает взятие целой части числа)
если  , то ,
в противном случае оставляем ,
• находится ,
• находится ;
(17) Составление системы уравнений при линеаризированной форме левой части в виде
, (3)
где  - расстояние от j-ого спутника до первой приемной антенны, вычисленное по кодовым измерениям,
- частные производные  в точке {, },
- определяемые на l-ом шаге поиска для r-ой итерации дробные части разности начальных фаз,
- взаимные разности (выраженные в метрах) между вычисленными значениями первых разностей псевдофаз для найденных координат первой приемной антенны на l-ом шаге поиска для  итерации  и измеренными значениями ;
(18) Решение системы уравнений МНК, находятся
,  , ;
(19) Анализ полученных значений:
если , , , , ,
то поиск координат первой приемной антенны (3) на l-ом шаге завершается и найденные смещения обозначаются , , , ;
если хотя бы одно из неравенств не выполняется, происходит возврат к r + 1 итерации на l шаге поиска (операция 13);
Примечание. Если число итераций на l-ом шаге превышает 3, то продолжение вычислений считается нецелесообразным из-за наличия одного или более аномальных фазовых измерений (требуется отбраковка входных измерений).
(20) Вводится вектор невязок, определяемый следующим образом:
=  -  , j = 1, …,    для измерений GPS,
=  -  , j =   1, …,   для измерений ГЛОНАСС.
Вычисляется среднеквадратическое отклонение невязок на l-ом шаге поиска для элементов вектора невязок по формуле
;
(21) Принятие решения о статусе найденного на l-ом шаге решения, например, по сравнению с априорно заданным порогом
l
(СКО) <  - принять найденные значения координат на  шаге поиска как соответствующие искомому значению координат первой приемной антенны;
(22) Вычисление вектора базисной линии для координат, найденных на l-ом шаге поиска
,   ,   ;
(23) Выдача результатов потребителю.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить точность и надежность определения взаимного положения объектов при сокращении времени вычислений.
Источники информации
1. А.А. Поваляев. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. Москва, «Радиотехника» 2008, 324 с.
2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под редакцией А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд.3-е - М.: Радиотехника, 2005 г., 688 с.
3. А.Д. Борискин, А.В. Вейцель и др. Аппаратура высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем: приемники-потребители навигационной информации. Под редакцией М.И. Жодзишского. Москва. Изд. МАИ-ПРИНТ, 2010 г., 210 с.
4. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. Под редакцией В.С. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993 г., 408 с.
5. Ю.П. Фатеев. Разрешение фазовой неоднозначности в однобазовой угломерной аппаратуре ГЛОНАСС/GPS. Электронный журнал «Исследовано в России», 792, http://zhurnal.ape/relarn.ru/articles/2004/072.pds.
6. Патент US 5252982 «Method of precise position determination».
7. Патент RU 2157547 «Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений».
8. Frank van Graas GNSS Augmentation for High Precision Navigation Services. AGRD-LS-207, FRANCE, 1996 г., 128-141 с.