СПУТНИКОВОЕ РАДИОНАВИГАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к навигационным системам, в частности, к устройствам позиционирования, использующим данные только двух спутников и уточненную информацию электронной карты пути, включающей параметрическое задание пространственной кривой, и может быть использована на железнодорожном транспорте.
Одной из известных навигационных систем является система GPS (глобальная система позиционирования. Global Positioning System), которая в данное время включает более 20 искусственных спутников Земли, половина из которых обычно находится одновременно в поле зрения приемника. Эти спутники передают, например, эфемеридные данные спутника, а также данные о времени спутника. Приемник, используемый при позиционировании, обычно определяет свое местоположение путем вычисления времени прохождения сигналов, получаемых приемником одновременно с нескольких спутников, принадлежащих к системе позиционирования, и вычисляет время передачи (Time of Transmission, ТоТ) сигнала. Для позиционирования приемник должен обычно получить сигнал, по меньшей мере, от четырех спутников, находящихся в поле зрения, чтобы вычислить местоположение.
Устройства позиционирования (или приемники позиционирования), т.е. устройства, имеющие возможность производить позиционирование (определение своего местоположения) на основе сигналов, передаваемых в навигационной системе, не всегда могут получить достаточно сильные сигналы от требуемого числа спутников. Например, может случиться, что при выполнении устройством трехмерного позиционирования оно не может принять сигналы от четырех спутников.
Известно спутниковое радионавигационное устройство, содержащее размещенное на борту подвижного объекта вычислительное устройство, выполненное с возможностью подключения к каналам передачи информации, по меньшей мере, один подключенный к вычислительному устройству спутниковый навигационный приемник с антенной, необслуживаемые пассивные маркеры, установленные безопасным образом на рельсовом пути с возможностью однозначного определения начала и конца каждого отдельного значащего участка рельсового пути, средство активации и регистрации откликов маркеров, снабженное антеннами и подключенное к вычислительному устройству, и базу данных маркеров, размещенную на подвижном объекте или стационарно с возможностью доступа к ней вычислительного устройства через каналы передачи информации, при этом необслуживаемые пассивные маркеры представляют собой устройства, получающие питание от энергии электромагнитных колебаний, передаваемой с подвижного объекта посредством антенн средства активации, и выполненные с возможностью при получении указанной энергии излучать модулированные электромагнитные колебания, однозначно характеризующие место установки маркера (RU 2280579, B61L 25/00, 27.07.06).
Недостатком известного устройства является невысокая точность позиционирования в случае уменьшения уровня сигнала или невозможность позиционирования в случае пропадания сигнала, по крайней мере, от одного из спутников, входящих в требуемое для измерений число спутников.
Технический результат полезной модели заключается в повышении достоверности позиционирования в условиях невозможности получения сигналов от требуемого числа навигационных спутников.
Технический результат достигается тем, что в спутниковое радионавигационное устройство позиционирования, содержащее приемник спутникового сигнала и вычислитель, согласно предложению введены блок контроля, селектор сигналов, модуль электронной карты, модуль памяти, модуль экстраполяции и блок сравнения, а вычислитель выполнен в виде двух вычислительных модулей, первый из которых предназначен для вычисления координат прямолинейного участка, а второй модуль предназначен для вычисления координат криволинейного участка, при этом первый и второй выходы приемника спутникового сигнала соединены соответственно с входом селектора сигналов и входом блока контроля, выход селектора сигналов соединен с первыми входами вычислительных модулей, вторые входы которых подключены к выходу модуля электронной карты, вход которого соединен с выходом блока контроля, выходы вычислительных модулей подключены к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом модуля экстраполяции, вход которого подключен к модулю памяти, соединенному с выходом блока сравнения.
На чертеже (рис.1) представлена схема спутникового радионавигационного устройства позиционирования. Рис.2 иллюстрирует схему привязки к координатам прямолинейного участка.
Спутниковое радионавигационное устройство позиционирования содержит приемник 1 спутникового сигнала, блок 2 контроля, селектор 3 сигналов, модуль 4 электронной карты, первый вычислительный модуль 5, предназначенный для вычисления координат прямолинейного участка, второй вычислительный модуль 6, предназначенный для вычисления координат криволинейного участка, модуль 7 памяти, модуль 8 экстраполяции и блок 9 сравнения, первый и второй выходы приемника 1 спутникового сигнала соединены соответственно с входом селектора 3 сигналов и входом блока 2 контроля, выход селектора 3 сигналов соединен с первыми входами вычислительных модулей 5 и 6, вторые входы которых подключены к выходу модуля 4 электронной карты, вход которого соединен с выходом блока 2 контроля, выходы вычислительных модулей 5 и 6 подключены к первому входу блока 9 сравнения, второй вход которого соединен с выходом модуля 8 экстраполяции, вход которого подключен к модулю 7 памяти, соединенному с выходом блока 9 сравнения.
Спутниковое радионавигационное устройство позиционирования работает следующим образом.
Приемник 1 спутникового сигнала принимает сигналы, несущие информацию о псевдодальностях до спутников, находящихся в области видимости. Блок 2 контроля осуществляет контроль достоверности данных, поступающих от спутников, по данным о геометрическом факторе. Селектор 3 сигналов осуществляет селекцию сигналов по уровню геометрического фактора. На его выход проходят стабильные сигналы с высоким значением геометрического фактора от двух спутников. Из модуля 4 электронной карты информация об участке карты, к которой была осуществлена привязка на предыдущем шаге работы алгоритма, поступает в вычислительные модули 5 и 6. Вычислительные модули 5 и 6 производят привязку соответственно к прямолинейному и криволинейному участкам по данным о паре псевдодальностей и информации о расположении участка электронной карты. Осуществление привязки для прямолинейного участка проиллюстрировано рис.2.
Приведенное на рис.2 семейство сфер с центром в точке расположения спутника свидетельствует об отсутствие информации об ошибки часов приемника. Информация о псевдодальности не позволяет вычислить эту ошибку, но совокупность псевдодальностей имеет один и тот же вклад из-за неточности бортовых часов. Задача позиционирования в данном случае заключается в нахождении точки на участке электронной карты, которая при этом лежит на паре сфер, соответствующей одинаковому значению ошибки часов приемника (на рисунке только пара средних сфер имеет пересечение с отрезком, пара ближайших и пара наиболее удаленных сфер такой точки пересечения не имеет).
Геометрические данные для выбранного участка оставляют неизвестным только параметр вдоль кривой. Для его определения используется информация о двух псевдодальностях. Вычислительный модуль производит привязку следующим образом.
н
к
Прямолинейный участок определяется точками начала и конца Р, Р. Точка участка параметризуются выражением:
В формуле предполагается сложение в аффинном пространстве, для этого надо пользоваться декартовыми координатами, пересчитав их из сферических.
o
н
к
Криволинейный участок, то есть участок окружности в трехмерном пространстве (см. рис.3) определяется положением центра Q, радиусом R, вектором нормали к плоскости расположения окружности n, а также точками начала и конца участка Q, Q.
Предполагается определение местоположения по данным о псевдодальностях двух спутников. Основная система уравнений задается так:
1
1
1
2
2
2
1
2
В ней x, у, z - координаты искомой точки, x, у, z - координаты одного из спутников, х, у, z - координаты второго спутника, R, R - соответствующие расстояния.
Рассмотренная выше система может быть упрощена, а именно, если из второго уравнения вычесть первое получим линейное уравнение на координаты.
Для решения данной системы требуется выразить t из второго уравнения, а также выразить x, у, z по формуле (1). В результате получится уравнение второй степени на λ. Выбор решения осуществляется из условия λ∈[0,1].
При определении координат для криволинейного участка стартовая система будет иметь аналогичную форму:
3
3
3
o
где х, у, z - координаты точки Q. Также вычитая первое уравнение из второго и третьего и дополняя систему уравнением нормали, получим систему из трех линейных и одного квадратного уравнений.
Требуется разрешить последние три уравнения относительно x, у, z и подставить результат в первое уравнение для нахождения t.
В обоих случаях система решается явно аналитическими средствами, она сводится к решению квадратного уравнения и имеет два решения. В обоих случаях для позиционирования производится мониторинг изменения линейной координаты для того, чтобы отбрасывать второе решение системы уравнений в том случае, если изменение слишком велико. Постобработка полученных решений состоит в формировании модулем 8 экстраполяции экстраполированной координаты на основе данных предыдущих позиционирований, накопленных в модуле 7 памяти, с помощью процедуры параболической экстраполяции по каждой из координат. Далее производится выбор одного из двух решений, ближайшего к результату экстраполирования.