УСТРОЙСТВО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ СИГНАЛОВ РАДИОНАВИГАЦИОННОГО ПОЛЯ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
APPARATUS FOR INSTRUMENTAL CONTROL OF SIGNALS FROM RADIO NAVIGATION FIELD OF PULSE-PHASE RADIO NAVIGATION SYSTEMS

Изобретение относится к области радионавигации, в частности к устройствам инструментального контроля сигналов радионавигационного поля импульсно-фазовых радионавигационных систем (далее - УИКС РНП ИФРНС), и предназначено для инструментального контроля сигналов радионавигационного поля, измерений псевдодальностей до навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС ГЛОНАСС и GPS и времени задержки радионавигационных сигналов при работе по сигналам ИФРНС.
Из уровня техники известна аппаратура управления и синхронизации станции импульсно-фазовой радионавигационной системы, содержащая первое устройство входное, первый и второй приемоизмерители, снабженные соответственно первой и второй специализированными цифровыми вычислительными машинами (СЦВМ), первый и второй блоки формирования импульсов, снабженные хранителями времени, первый блок коммутации, а также связанные между собой первый пульт управления и первое устройство управления, связанное магистралями передачи данных также с первым приемоизмерителем и первым блоком формирования импульсов, причем сигнальный вход первого устройства входного является входом для навигационных сигналов, к первому выходу первого устройства входного подключен первый приемоизмеритель, а ко второму выходу - первый блок формирования импульсов, выход управляющих импульсов которого подключен к управляющему входу первого устройства входного, а выходы запускающих импульсов - к входам первого блока коммутации, выход которого является выходом сигналов для запуска передатчика станции. Дополнительно введены второе устройство входное, второй блок коммутации, а также второй пульт управления и связанное с ним второе устройство управления, причем сигнальный вход второго устройства входного соединен с сигнальным входом первого устройства входного, к первому выходу второго устройства входного подключен второй приемоизмеритель, а к второму выходу - второй блок формирования импульсов, выход управляющих импульсов которого подключен к управляющему входу второго устройства входного, а выходы запускающих импульсов - к входам второго блока коммутации, выход которого соединен с выходом первого блока коммутации по схеме ИЛИ, второе устройство управления связано магистралями передачи данных также с первым устройством управления, вторым приемоизмерителем и вторым блоком формирования импульсов, при этом устройства управления и блоки формирования импульсов снабжены индивидуальными специализированными цифровыми вычислительными машинами (СЦВМ), каждая из СЦВМ приемоизмерителей выполнена с возможностью осуществления функций управления приемом радионавигационных сигналов и измерением их параметров, СЦВМ блоков формирования импульсов - с возможностью выполнения функций управления процессом формирования сигналов запуска радиопередающего устройства, а СЦВМ устройств управления - с возможностью выполнения функций управления соответствующими индивидуальными СЦВМ приемоизмерителей и блоков формирования сигналов, при этом каждая из СЦВМ содержит средство для осуществления внутриблочных связей с элементами соответствующих приемоизмерителя, устройства управления или блока формирования импульсов, в состав которых входит данная индивидуальная СЦВМ, и средство для осуществления их межблочных связей, а СЦВМ блоков формирования импульсов связана со средствами для определения состояния и корректировки хранителя времени, а также с дискриминатором, регистром времени, регистром признаков и схемой сравнения, входы которой связаны с выходами хранителя времени и регистра времени, а выход - с входом формирователя-распределителя импульсов, другой вход которого связан с выходом регистра признаков, первый и второй выходы формирователя-распределителя импульсов являются соответственно выходами запускающих и управляющих импульсов блока формирования импульсов, а третий выход связан с дискриминатором, другой вход которого является входом блока формирования импульсов для подключения к соответствующему устройству входному (RU 2195003, 20.12.2002).
Недостатком данного аналога является необходимость проведения корректировок после каждого технического обслуживания НПС, невозможность оценить качество на всей площади радионавигационного поля.
Техническая проблема, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в расширении арсенала технических средств, применение которых в составе ИФРНС позволит своевременно вносить корректировку в режим их работы и повысить точность определения координат с 300 м до 15-50 м.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности работы УИКС РНП ИФРНС за счет обеспечения корректировки в режим работы и повышения точности определения координат с 300 м до 15-50 м.
Указанный технический результат достигается в устройстве инструментального контроля сигналов радионавигационного поля импульсно-фазовых радионавигационных систем (УИКС РНП ИФРНС), содержащем приемник сигналов ИФРНС, приемник сигналов ГНСС (глобальная спутниковая навигационная система)/ШДПС (широкозонных дифференциальных подcистем), вычислитель, систему передачи данных, систему электропитания и вспомогательное оборудование контроля работоспособности, при этом приемник сигналов ИФРНС выполнен с возможностью одновременного приема и измерение радионавигационных параметров не менее чем по двум цепям станций ИФРНС, вычисления и отображение координат местоположения комплекса и сравнение их с координатами опорной точки и вывода секундной метки, привязанной к сигналам ИФРНС; приемник сигналов ГНСС/ШДПС выполнен с возможностью кодовых измерений и одновременного приема и измерения радионавигационных параметров по сигналам ГНСС ГЛОНАСС, GPS, ШДПС СДКМ; вычислитель предназначен для инициализации устройств, входящих в УИКС РНП ИФРНС, и определения работоспособности в целом, а система передачи данных представляет собой автоматизированную систему контроля и оценки качества радионавигационных полей, выполненную с возможностью выработки и передачи дифференциальных поправок ИФРНС для оперативного управления параметрами и режимами работы наземных станций ИФРНС и имеет специальное программное обеспечение.
В частности, приемник сигналов ИФРНС выполнен с возможностью приема сигналов не менее чем от 5 станций, одновременного приема и измерения радионавигационных параметров не менее чем по двум цепям станций ИФРНС «Чайка», LORAN-C, «Скорпион», «Тропик-2», eLORAN с возможностью приема сигналов не менее чем от 10 станций.
В частности, приемник сигналов ИФРНС имеет динамический диапазон на частоте 100 кГц не менее 60 дБ и выполнен с возможностью измерения величин разности времени прихода сигналов ведущей и соответствующей ведомой станций (TD) и время прихода сигналов каждой станции (TOA) с точностью не хуже 10 нс.
В частности, приемник сигналов ГНСС/ШДПС выполнен с возможностью приема сигналов ГНСС ГЛОНАСС, GPS в диапазонах L1 и L2, имеет не менее 18 каналов приема сигналов ГЛОНАСС и не менее 18 каналов приема сигналов GPS.
В частности, приемник сигналов ГНСС/ШДПС выполнен с возможностью фазовых измерений, слежения за фазой несущей, при этом погрешность кодовых измерений псевдодальности не более 2 м, а погрешность фазовых измерений псевдодальности не более 2 мм.
В частности, вычислитель выполнен с возможностью определения каналов передачи данных, первоначальной регистрации УИКС РНП ИФРНС в общей системе, считывания информации координат местоположения с приемника ГНСС, передачи информации координат местоположения на приемник ИФРНС, расчета теоретических значений РНП местоположения УИКС РНП ИФРНС, записи корректирующей информации в память УИКС РНП ИФРНС и передачи корректирующей информации из памяти УИКС РНП ИФРНС.
В частности, система передачи данных имеет защищенные каналы передачи данных между устройствами УИКС РНП ИФРНС для предотвращения попыток подмены или порчи данных, попытки несанкционированного доступа и попытки информационного взлома как подсистемы в целом, так и его отдельных устройств, причем скорость передачи данных по каждому из каналов должна быть не ниже скорости приема/передачи данных по каналу Ethernet не менее 100 Мбит/с и скорости приема/передачи данных по каналу сотовой связи GPRS/3G не менее 19800 бит/с/100 кбит/с.
В частности, приемник сигналов ИФРНС, приемник сигналов ГНСС/ШДПС, вычислитель, система передачи данных и система электропитания расположены в монтажном термошкафе, выполненным с обогревом и вентиляцией.
В частности, вспомогательное оборудование контроля работоспособности представляет собой защищенный мобильный компьютер.
В частности, система электропитания выполнена с возможностью обеспечения бесперебойного питания в автономном режиме не менее 1 часа и имеет защиту от перегрузки и короткого замыкания входящих в состав устройств, фильтрацию помех питающей сети и защиту от высоковольтных импульсов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 отображена общая блок-схема УИКС РНП ИФРНС; на фиг.2 - схема расположения УИКС РНП ИФРНС в составе автоматизированной системы контроля и оценки качества радионавигационных полей.
УИКС РНП ИФРНС предназначено для приема и обработки сигналов, излучаемых наземными станциями (НС) ИФРНС, и сигналов, излучаемых ГНСС/ШДПС, с целью получения информации о качестве формируемых ими радионавигационных полей, проведения анализа условий распространения радиосигналов в рабочих зонах ИФРНС, расчета средней квадратической погрешности (СКП) определения координат местоположения потребителя в РО системы, определения поправок в скорости распространения радиоволн, расчета корректирующих поправок к сигналам и рабочим параметрам наземных станций ИФРНС «Чайка» выработки и передачи дифференциальных поправок ИФРНС для оперативного управления параметрами и режимами работы наземных станций ИФРНС.
Применение заявленного изобретения в составе ИФРНС позволит своевременно вносить корректировку в режим их работы и повысить точность определения координат с 300 м до 15-50 м.
УИКС РНП ИФРНС содержит монтажный термошкаф (терморегулируемый шкаф) 1, приемник сигналов ИФРНС 2, приемник сигналов ГНСС/ШДПС 3, вычислитель 4, систему передачи данных 5, систему электропитания 6, вспомогательное оборудование контроля работоспособности УИКС РНП ИФРНС (защищенный мобильный компьютер), антенну ГНСС 7, антенну ИФРНС 8 и антенну 9 системы передачи данных.
Приемники сигналов ИФРНС должны иметь следующие основные технические характеристики:
- выполнять одновременный прием и измерение радионавигационных параметров не менее чем по двум цепям станций ИФРНС «Скорпион», Чайка, «Тропик-2», LORAN-C, eLORAN с возможностью приема сигналов не менее чем от 10 станций;
- иметь динамический диапазон на частоте 100 кГц не менее 60 дБ;
- обеспечивать обмен информацией с АРМ. Параметры интерфейса уточняются на этапе технического проектирования;
- измерение величин TD (разности времени прихода сигналов ведущей и соответствующей ведомой станций) и TOA (время прихода сигналов каждой станции) с точностью не хуже 10 нс;
- вычисление и отображение координат местоположения комплекса и сравнение их с координатами опорной точки (фазовым центром антенны комплекса), определенными геодезическими методами;
- выводить секундную метку, привязанную к сигналам ИФРНС.
Приемники сигналов ГНСС/ШДПС должны иметь следующие основные технические характеристики:
- выполнять одновременный прием и измерение радионавигационных параметров по сигналам ГНСС ГЛОНАСС, GPS и ШДПС СДКМ;
- принимать сигналы ГНСС ГЛОНАСС, GPS в диапазонах L1 и L2;
- иметь не менее 18 каналов приема сигналов ГЛОНАСС;
- иметь не менее 18 каналов приема сигналов GPS;
- выполнять кодовые измерения;
- выполнять фазовые измерения, слежение за фазой несущей;
- погрешность кодовых измерений псевдодальности не более 2 м (среднеквадратичное отклонение 2α, с вероятностью 95%);
- погрешность фазовых измерений псевдодальности не более 2 мм (среднеквадратичное отклонение 2α, с вероятностью 95%);
- выводить секундную метку, привязанную к сигналам ГЛОНАСС.
Вычислитель предназначен для управления работой УИКС РНП ИФРНС.
Основные функции выполняемые вычислителем:
- инициализация устройств, входящих в УИКС РНП ИФРНС и определение работоспособности в целом;
- определение каналов передачи данных;
- первоначальная регистрация устройства УИКС РНП ИФРНС в общей системе;
- считывание информации (координат местоположения) с приемника ГНСС;
- передача информации (координат местоположения) на приемник ИФРНС;
- расчет теоретических значений РНП местоположения УИКС РНП ИФРНС (Тд расчетное);
- считывание информации с приемника ИФРНС;
- обработка данных приемника ИФРНС (координат местоположения, погрешности Тд, и т.д.);
- расчет и передача корректирующей информации в систему;
- запись корректирующей информации в память УИКС РНП ИФРНС;
- передача корректирующей информации из памяти УИКС РНП ИФРНС;
- рабочий диапазон температур: -40…+85 C.
Система передачи данных.
Автоматизированная система контроля и оценки качества радионавигационных полей (АСК и ОК РНП ИФРНС) должна иметь защищенные каналы передачи данных между элементами для предотвращения попыток подмены или порчи данных, попытки несанкционированного доступа и попытки информационного взлома как подсистемы в целом, так и его отдельных элементов.
В АСК и ОК РНП ИФРНС должно быть реализовано минимум два канала передачи данных, скорость передачи данных по каждому из каналов должна быть не ниже:
- скорость приема/передачи данных по каналу Ethernet не менее 100 Мбит/с;
- скорость приема/передачи данных по каналу сотовой связи GPRS/3G не менее 19800 бит/с/100 кбит/с;
Специальное программное обеспечение (СПО)
СПО должно быть построено по модульному типу.
Система электропитания.
Система электропитания должна обеспечивать бесперебойное питание (в автономном режиме не менее 1 часа), защиту от перегрузки и короткого замыкания входящего в состав оборудования, фильтрацию помех питающей сети и защиту от высоковольтных импульсов.
УИКС РНП ИФРНС построен на базе трехкомпонентной системы, в центре которой находится вычислитель 4. Два других компонента представляют собой датчики РНП ГНСС ГЛОНАСС/GPS, ИФРНС LORAN-C/«Чайка» и систему передачи данных (устройства обмена информацией) с управляющим устройством, представляющим собой вычислитель с системным программно-математическим обеспечением (СПМО). В качестве системы передачи данных может применяться GPRS модем. В качестве интерфейсов для подключения к вычислителю используются последовательные порты типов RS-232 и USB.
Сигналы от НКА ГНСС ГЛОНАСС/GPS принимаются антенной 7 приемника ГНСС 3. Далее сигнал через коаксиальный кабель поступает в приемник ГНСС 3, расположенный в корпусе УИКС РНП ИФРНС. Выходные сигналы приемника ГНСС 3 в виде «сырой» информации (измеренные псевдодальности до наблюдаемых НКА, время измерения, эфемериды, альманахи) через информационный кабель поступают в вычислитель 4, который определяет состояние НКА в отдельности и ГНСС в целом в соответствии с заданными параметрами, формируя соответствующие сообщения.
Сигналы от НПС ИФРНС LORAN-C принимаются антенной 8 приемника ИФРНС 2. Далее сигнал через коаксиальный кабель поступает в приемник ИФРНС 2, расположенный в корпусе УИКС РНП ИФРНС. Выходные сигналы приемника ИФРНС 2 в виде «сырой» информации (измеренные РНП до принимаемых НПС, время измерения) через информационный кабель поступают в вычислитель 4.
Вычислитель 4 обеспечивает функции управления взаимодействием всех составных частей УИКС РНП ИФРНС, сбора и обработки данных.
Система передачи данных по каналу сотовой связи осуществляет передачу данных в стандарте GSM на близлежащую базовую станцию (БС). БС передает информацию по своим каналам далее в сеть Интернет.
Контроль радионавигационного поля (РНП) может выполняться с помощью нескольких УИКС РНП ИФРНС, расположенных в рабочей области (РО) 14 системы конвертации их в рабочие наборы данных и передачи их на пункт управления подсистемы контроля для формирования корректирующих поправок.
Состав автоматизированной системы контроля и оценки качества РНП представлен на фиг.2. Контрольный пункт зональной цепи (КП ЗЦ) 13 - он же пункт управления (ПУ) подсистемы контроля, выдает вычисленные поправки на станции по информации от УИКС РНП ИФРНС.
В состав зональной цепи ИФРНС входят несколько неподвижных передающих станций, одна из которых является ведущей 10, а остальные - ведомыми 11 (ведомая станция 1, ведомая станция 2, ведомая станция 3 и ведомая станция 4) и автоматизированной система контроля и оценки качества РНП
Все станции 10, 11 связаны через монитор передающей станции 12 (МПС) с СПД 5 с ПУ и через него с УИКС РНП ИФРНС, которые расположены в каждой рабочей области ведомых станций 11.
Автоматизированные технологии сбора и обработки данных контроля за сигналами и параметрами работы наземных станций ИФРНС «Чайка» базируются на чтении, преобразовании, анализе и отображении содержания файлов мониторинга ИФРНС, записанных в стандарте IEC 61162.
Определение поправок в скорости распространения радиоволн в РО системы РСДН производится дифференциальным способом - путем сравнения измеренных УИКС РНП ИФРНС навигационных параметров с их расчетными значениями в контрольных точках РНП.
Контроль параметров РНП предполагает определение поправок в скорость распространения радиоволн в различных условиях времени и года, метеорологических и географических условиях функционирования ИФРНС. Второе обстоятельство требует определения рационального количества УИКС РНП ИФРНС и их оптимального размещения в РО цепи наземных станций РСДН.
Способ определения поправок на условия распространения радиоволн в одной точке расположения УИКС РНП ИФРНС называют оперативным, при этом полученные поправки применяются во всей рабочей области системы. Однако радиус действия таких поправок весьма ограничен. Как правило, эффективная область действия поправок, определенных в одной точке, составляет 150-200 км.
Для увеличения области эффективного действия поправок на условия распространения радиоволн их определяют в нескольких точках расположения УИКС РНП ИФРНС в рабочей области системы РСДН. Такой способ определения поправок называется дифференциальным. При этом считается, что полученные в нескольких точках и усредненные поправки является постоянными на удалении 250-300 км от места их определения.
В идеале точки определения поправок на условия распространения радиоволн необходимо располагать равномерно по всей рабочей области системы.