СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF REDUCING EFFECT OF MULTIBEAM PROPAGATION OF RADIO SIGNALS OF NAVIGATION SATELLITES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области навигации воздушных судов (ВС) и может быть использовано для их надежной навигации, а также других движущихся объектов, например, морских судов и т.п..
Известен способ, описанный в полезной модели «Устройство для формирования поправок в системе радионавигации» (патент №39701 по МПК 7 G01C 21/24 за 2004 г., бюл. №22 от 10.08.2004 г.), включающий прием радиосигналов навигационных спутников (НС) через последовательно соединенные антенный модуль, распределитель радиосигналов и группу приемников, при этом на каждом приемнике осуществляют усиление радиосигналов НС, селекцию полезной их составляющей из смеси с помехами и шумами и преобразование очищенного радиосигнала с высокой частоты на промежуточную с помощью радиочастотного модуля, после чего осуществляют аналого-цифровое преобразование с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а затем осуществляют анализ на вычислителе выходных данных группы приемников совместно с данными метеодатчиков температуры, давления и влажности воздуха и выработку сигналов качества навигационной информации и поправок к ней для ее потребителей.
Известно также устройство, осуществляющее упомянутый выше способ, описанное в той же, указанной выше, полезной модели, содержащее последовательно соединенные антенный модуль, распределитель радиосигналов, группу спутниковых приемников с радиочастотным трактом и цифровой обработкой, вычислитель и группу выходов вычислителя для выдачи информации потребителям.
Недостатками известных способа и устройства, предназначенных для решения относительно узкой задачи - выработки навигационных поправок для ВС на основе простейшей не корреляционной обработки сигналов от относительно небольшого числа HC (в отсутствии на тот момент сигналов от НС спутниковых систем GALILEO и частично ГЛОНАСС), является относительная ненадежность вырабатываемых поправок для ВС, особенно в случаях многолучевого распространения радиосигналов HC, когда на спутниковые приемники поступают истинный радиосигнал НС и его отражение (например, от горы и т.п.), имеющее такие же служебные кодовые признаки.
Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению способ по изобретению «Способ определения недопустимой аномалии принимаемых сигналов навигационных спутников…» (Патент №2393504 от 23.10.2008 г. по МПК 7 G01S 19/07, Бюл. №18 от 27.06.2010 г.), включающий прием радиосигналов НС последовательно через антенный модуль, распределитель радиосигналов и группу приемников, при этом на каждом приемнике осуществляют усиление радиосигналов НС, селекцию полезной их составляющей из смеси с помехами и шумами и преобразование очищенного радиосигнала с высокой частоты на промежуточную с помощью радиочастотного модуля, после чего осуществляют аналого-цифровое преобразование с помощью АЦП, а затем осуществляют анализ на вычислителе выходных данных группы приемников совместно с данными метеодатчиков температуры, давления и влажности воздуха и выработку сигналов качества навигационной информации и поправок к ней для ее потребителей, причем прием и анализ радиосигналов НС осуществляют с помощью высокоточной наземной стационарной контрольной станции (СКС) с заранее точно определенными параметрами ее дислокации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, описанное в указанном выше изобретении, содержащее в составе СКС последовательно соединенные антенный модуль, распределитель радиосигналов, группу спутниковых приемников, вычислитель и группу выходов вычислителя для выдачи информации потребителям, а также модуль метеодатчиков, группа выходов которого соединена с соответствующей группой входов вычислителя, антенный модуль представляет собой дислокационную широкополосную антенну с малошумящим высокочастотным усилителем.
Недостатками способа и устройства известного изобретения также является невозможность обеспечить качественную спутниковую навигацию ВС в условиях многолучевого распространения радиосигналов HC.
Техническим результатом и целью заявляемого изобретения является устранение недостатка прототипа путем уменьшения влияния многолучевого распространения радиосигналов HC за счет усреднения кодов дальности, получаемых от HC через дислокационную антенну и n дополнительных антенн, разнесенных на m метров с разных сторон относительно центральной дислокационной антенны. При этом в зависимости от количества дополнительных антенн и расстояния их разнесения отрицательное влияние многолучевости уменьшается на 10-90 процентов.
Указанные технический результат и цель достигаются тем, что способ уменьшения влияния многолучевого распространения радиосигналов HC, осуществляемый с помощью высокоточной наземной стационарной контрольной станции (СКС) с заранее точно определенными параметрами ее дислокации, включающий прием радиосигналов НС через входящие в СКС последовательно соединенные антенный модуль, распределитель радиосигналов и группу приемников, при этом на каждом приемнике осуществляют усиление радиосигналов HC, селекцию полезной их составляющей из смеси с помехами и шумами и преобразование очищенного радиосигнала с высокой частоты на промежуточную с помощью радиочастотного модуля, после чего осуществляют аналого-цифровое преобразование с помощью АЦП, а затем осуществляют анализ на вычислителе выходных данных группы приемников совместно с данными метеодатчиков температуры, давления и влажности воздуха и выработку сигналов качества навигационной информации и поправок к ней для ее потребителей, а также тем, что прием каждой посылки радиосигналов HC осуществляют одновременно на центральной дислокационной антенне и на n дополнительных антенн, разнесенных на m метров с разных сторон относительно центральной дислокационной антенны, и составляющих вместе с ней антенный модуль данной СКС, при этом принятые каждой антенной дальномерные коды текущей посылки радиосигнала данного HC с одним и тем же моментом времени излучения перед дальнейшей обработкой в приемниках усредняются, аналогично усредняются дальномерные коды других посылок радиосигналов данного и других HC.
Указанные технический результат и цель достигаются также тем что, устройство уменьшения влияния многолучевого распространения радиосигналов HC, содержащее в составе СКС последовательно соединенные антенный модуль, распределитель радиосигналов, группу спутниковых приемников, вычислитель и группу выходов вычислителя для выдачи информации потребителям, а также модуль метеодатчиков, группа выходов которого соединена с соответствующей группой входов вычислителя, антенный модуль содержит дислокационную широкополосную антенну с малошумящим высокочастотным усилителем, а также - n дополнительных антенн, аналогичных дислокационной антенне, разнесенных на m метров с разных сторон относительно центральной дислокационной антенны.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего заявленный способ для случая n=4.
Устройство содержит антенный модуль 1 с центральной дислокационной антенной 1.1 и четырьмя дополнительными антеннами 1.2, …1.5, распределитель 2 радиосигналов, группу 3 спутниковых приемников, вычислитель 4, метеодатчики 5 температуры, давления и влажности воздуха и группу 6 выходов вычислителя для выдачи информации потребителем (на воздушные суда и т.п.).
Для пояснения на фиг.1 показаны не входящие в устройство группа 7 видимых в данное время устройством навигационных спутников (HC) 7.1, 7.2, …7x, препятствие 8 (например, гора, или мачта или т.п.), прямые (истинные) лучи 9, воспринимаемые антеннами 1.1, …1.5, минуя препятствие непосредственно от HC 7.1 (от других HC 7.2, …7X аналогично) и отраженный от препятствия луч 10.
Также для пояснения показан параметр m в метрах разнесения дополнительных антенн 1.2, …1.5 от центральной дислокационной антенны 1.1. Уместно подчеркнуть, что чем больше значение m, тем лучше работает заявленный способ. Автором получены хорошие результаты при m=10 м.
Устройство уменьшения влияния многолучевого распространения радиосигналов HC, содержащее в составе СКС последовательно соединенные антенный модуль 1, распределитель 2 радиосигналов, группу 3 спутниковых приемников, вычислитель 4 и группу 6 выходов вычислителя 4 для выдачи информации потребителям, а также модуль 5 метеодатчиков, группа выходов которого соединена с соответствующей группой входов вычислителя 4, антенный модуль 1 содержит дислокационную широкополосную антенну 1.1 с малошумящим высокочастотным усилителем, кроме того антенный модуль 1 содержит n дополнительных антенн 1.2, …1.5, аналогичных дислокационной антенне, разнесенных на m метров с разных сторон относительно центральной дислокационной антенны 1.1.
В устройстве использованы элементы и материалы широкого применения в промышленности РФ.
Способ осуществляется следующим образом.
В прототипе используют только одну или несколько (с целью дублирования, резервирования и т.п.) антенн 1.1, установленных без существенного разнесения друг от друга, т.е. - условно в одной точке, представляющей собой очень точно выверенную константу дислокации СКС с соответствующей географической координатой Земли. При этом совмещенные антенны имеют одну и ту же координату дислокации и работают одинаково. Поэтому далее будем оперировать только одной из них, называя ее дислокационной.
В реальных условиях конкретной местности Земли на дислокационную антенну 1.1 может попадать от спутника 7.1 (для других спутников 7.2, …7.Х аналогично) не только истинный луч 9, но и луч 10, отраженный, например, от горы 8. Совершенно очевидно, что воспринятый в качестве истинного в приемниках 3 и вычислителе 4 по лучу 10 будет использоваться совершенно другая дальность СКС от спутника 7.1, что приведет к искажению поправки на выходе 6.
В предлагаемом способе используют дополнительные антенны 1.2, …1.5, разнесенные относительно дислокационной антенны 1.1 (фиг.1).
Из чертежа видно, что за счет разнесения дополнительных антенн 1.2, …1.5 относительно дислокационной антенны 1.1 должен измениться угол отражения луча 10, чтобы попасть на антенны 1.2 и 1.4 (уменьшиться) и 1.3 и 1.5 (увеличиться). Однако отражающая поверхность случайных препятствий 8 (гора и т.п.), как правило, сильно отличается по своим свойствам от реальных антенн, имея узкую или неравномерную и изрезанную диаграмму направленности отраженного луча 10 и его ослабление. Поэтому имеется весьма большая вероятность того, что отраженный луч 10 кроме дислокационной антенны 1.1 не будет воспринят всеми дополнительными антеннами 1.2, …1.5 или частью из них. Причем, чем больше значения пит, тем выше эта вероятность.
Автором данной заявки на практике реализован рассматриваемый способ при n=4 и m=10 м и получено уменьшение влияния многолучевого распространения радиосигналов от HC на 10-90% в зависимости от вида и удаленности препятствия 8.
Следует иметь ввиду, что HC 7.1, …7.Х вращаются вокруг Земли на различных орбитах с удалением от нее на 20000 км. При этом дальность от каждого HC до антенны 1.1 определяют как произведение скорости света (300000 км/с) на время прохождения радиосигнала от HC до антенны 1.1, а каждый радиосигнал содержит в себе точные коды времени его излучения (на HC имеются атомные часы системы единого времени) и географической координаты положения HC в пространстве в момент излучения соответствующего радиосигнала. Приемники группы 3, синхронизируясь с системой единого времени, получая радиосигнал (для простоты используют также термин луч, являющийся синонимом весьма сложного радиосигнала), точно определяют время его прохождения от HC до антенны.
Для случая, когда в качестве отражающего луч 10 препятствия 8 использовалась гора, удаленная от дислокационной антенны 1.1 на 120 км, дальность луча 10 от HC 7.1 до антенны 1.1 увеличилась на 0,006 часть от истинной дальности луча 9. Это относительно большая погрешность и поэтому этот ложный код дальности желательно не пропускать на дальнейшую обработку в группе 3 приемников и вычислителе 4. Этому и служит в способе усреднение дальностей, полученных антеннами 1.1, …1.5 для одного и того же радиосигнала (конкретной радиопосылке), привязанного к точному моменту времени его излучения на HC.
Теперь рассмотрим само усреднение для приведенных выше условий с учетом, например, того, что ложное отражение данного радиосигнала принимает только дислокационная антенна 1.1. Тогда на Земле устройством по этому радиосигналу будут приняты всего шесть соответствующих посылок (5 истинных - по одной через каждую антенну 1.1, …1.5 - лучи 9 и одна ложная через антенну 1.1 с соответствующей задержкой - отраженный луч 10), являющихся следствием излучения на НС 7.1 в конкретный момент времени (аналогично для других моментов времени и для других HC).
Соответствующие спутниковые приемники группы 3 (отдельные для различных систем ГЛОНАСС, GPS и ГАЛИЛЕО) точно определяют соответствующие дальности через полученные радиосигналы от HC как произведения скорости света на время прохождения радиосигнала от HC до антенны.
Если взять для простоты расчета вместо реальных значений дальности (десятки тысяч км) относительные значения дальности, причем за единицу - относительную дальность от HC 7.1 до антенн 1.1, …1.5, пренебрегая разбросом дополнительных антенн 1.2, …1.5 вокруг центральной антенны 1.1, а относительную дальность по лучу 10, как указывалось выше, - 1,006, то усреднение выразится: (5+1,006)/6=1,001, что уменьшает влияние отраженного луча 10 более чем на 90%.
Устройство работает следующим образом.
Периодически излучаемые группой 7 видимых HC 7.1, …7X радиосигналы воспринимаются антеннами 1.1, …1.5 антенного модуля 1 как прямыми истинными лучами 9, так и отраженным лучом 10 от препятствия 8. От антенного модуля 1 радиосигналы через распределитель 2 радиосигналов (необходим для согласованного распределения без волновых отражений высокочастотных радиосигналов между основными, дублирующими и резервными спутниковыми приемниками группы 3 для различных систем ГЛОНАСС, GPS и ГАЛИЛЕО) поступают на соответствующие приемники, где осуществляется по мере их поступления расчет дальностей с привязкой их к конкретным спутникам и их координатам, которые затем упорядоченно записываются в память вычислителя 4 отдельно по каждому НС каждой навигационной системы, куда также поступают данные метеодатчиков для учета особенностей распространения радиосигналов. В вычислителе определяются расчетные координаты местоположения антенн устройства по трем видимым HC каждой навигационной системы, которые затем сопоставляются с заведомо известными координатами дислокации устройства (СКС), на основании чего делается заключение о исправности/неисправности всех HC всех навигационных систем и вырабатываются соответствующие поправки для ВС через группу 6 выходов вычислителя.