RU2393430C1 - Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes - Google Patents

Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes Download PDF

Info

Publication number
RU2393430C1
RU2393430C1 RU2008151988/09A RU2008151988A RU2393430C1 RU 2393430 C1 RU2393430 C1 RU 2393430C1 RU 2008151988/09 A RU2008151988/09 A RU 2008151988/09A RU 2008151988 A RU2008151988 A RU 2008151988A RU 2393430 C1 RU2393430 C1 RU 2393430C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
satellite
phase
coordinates
measurements
Prior art date
Application number
RU2008151988/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Анатольевич Копылов (RU)
Игорь Анатольевич Копылов
Валерий Георгиевич Поликарпов (RU)
Валерий Георгиевич Поликарпов
Виктор Михайлович Паденко (RU)
Виктор Михайлович Паденко
Евгений Григорьевич Харин (RU)
Евгений Григорьевич Харин
Владимир Абович Копелович (RU)
Владимир Абович Копелович
Юрий Иванович Калинин (RU)
Юрий Иванович Калинин
Татьяна Петровна Сапарина (RU)
Татьяна Петровна Сапарина
Людмила Вениаминовна Фролкина (RU)
Людмила Вениаминовна Фролкина
Светлана Юрьевна Степанова (RU)
Светлана Юрьевна Степанова
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority to RU2008151988/09A priority Critical patent/RU2393430C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2393430C1 publication Critical patent/RU2393430C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: method is based on receiving signals from global navigation satellite system spacecraft and involves measurement of phase shift between signals of the aircraft antenna from each satellite navigation system (SNS) spacecraft. After flight, through absolute positioning from phase measurements due to use of exact ephemeredes and exact satellite time determined by the International GPS service through the Internet system, the position of a satellite is calculated from keplerian orbit elements, which are contained in the ephemeride data, and the algorithm for determining coordinates of the aircraft is executed in form of a sequence of calculations, which include calculation of the ionospheric delay using the Klobuchar model and troposphere delay using the Black model, calculating the integer solution from code sequences of the receiver of the satellite navigation system, using the least-squares method to calculate coordinates of the aircraft from phase measurements of the receiver of the satellite navigation system with allowance for phase ambiguity, using an algorithm with a floating solution, the obtained Cartesian ordinates of the aircraft are converted to a geodetic coordinate system. ^ EFFECT: more accurate measurement of trajectory parametres of aircraft. ^ 2 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам обработки материалов летных испытаний (ЛИ) летательных аппаратов (ЛА), способам разработки и исследования систем сопровождения авиационных объектов, и может быть использовано для определения их точностных характеристик. Изобретение может быть использовано также для определения значений координат местоположения составляющих вектора фазовых центров антенн навигационной аппаратуры пользователей спутниковых радионавигационных систем.The invention relates to the field of aviation, in particular to systems for processing flight test materials (LI) of aircraft (LA), methods for developing and researching systems for tracking aircraft objects, and can be used to determine their accuracy characteristics. The invention can also be used to determine the coordinates of the location of the components of the vector of the phase centers of the antennas of the navigation equipment of users of satellite radio navigation systems.

Известен способ определения координат местоположения составляющих вектора скорости навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) и пользователей спутниковых радионавигационных систем (СРНС), реализованный в СРНС второго поколения систем ГЛОНАСС и GPS (см. В.С.Шебшаевич, П.П.Дмитриев и др. «Сетевые спутниковые радионавигационные системы». - М.: Радио и связь, 1993).There is a method of determining the coordinates of the location of the components of the velocity vector of navigation artificial Earth satellites (NISS) and users of satellite radio navigation systems (SRNS), implemented in the SRNS of the second generation of GLONASS and GPS systems (see V.S.Shebshaevich, P.P.Dmitriev, etc. “Network satellite radio navigation systems.” - M.: Radio and Communications, 1993).

Каждый из навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS непрерывно передает собственные навигационные сообщения, содержащие информацию, на основании которой на навигирующихся объектах (пользователях СРНС) навигационной аппаратурой пользователей (НАЛ) осуществляют одновременный прием навигационных радиосигналов не менее чем четырех НИСЗ, измерения псевдодальностей между навигирующимися пользователями и НИСЗ и производят расчеты, необходимые для решения навигационной задачи. Геометрическим эквивалентом конечного алгоритма решения навигационной задачи этого способа является построение относительно используемых НИСЗ поверхностей положения, точка пересечения которых является искомым положением пользователей.Each of the GLONASS and GPS navigation satellites continuously transmits its own navigation messages containing information, on the basis of which navigation instruments of users (NAL) simultaneously navigate radio objects of at least four NLHs on navigating objects (SRNS users), measure pseudorange between navigating users and NLH and make the calculations necessary to solve the navigation problem. The geometrical equivalent of the final algorithm for solving the navigation problem of this method is the construction of position surfaces relative to the NISS used, the intersection point of which is the desired position of users.

Навигационные сообщения, передаваемые каждым НИСЗ, содержат следующую информацию:The navigation messages transmitted by each NISS contain the following information:

- информацию о состоянии спутников систем, позволяющую пользователям сделать вывод о целесообразности использования данных, передаваемых спутниками для навигационных определений;- information on the state of the satellite systems, allowing users to conclude on the advisability of using data transmitted by satellites for navigation definitions;

- поправки к эталонам времени и частотам спутника, данные альманаха об эфемеридах (эфемериды - значения координат НИСЗ в геоцентрической системе координат, рассчитанные для фиксированных моментов времени по результатам прогнозирования движения НИСЗ);- corrections to the time standards and satellite frequencies, almanac data on ephemeris (ephemeris — NISS coordinate values in the geocentric coordinate system, calculated for fixed time points based on the results of predicting the movement of the NISS);

- параметры для введения поправок задержки навигационных радиосигналов спутников при их распространении через ионосферу и др.- parameters for introducing delay corrections for navigation radio signals of satellites during their propagation through the ionosphere, etc.

Формирование массивов навигационной (служебной) информации (время, эфемериды, параметры для введения поправок, составляющие вектора скорости спутника и т.д.), а также передачу (загрузку) их в память ЭВМ соответствующих НИСЗ, производят контрольными станциями (КС), контролирующими орбиты НИСЗ, расхождение шкал времени НИСЗ с системным временем и прогнозирование эфемерид каждого НИСЗ.The formation of arrays of navigation (service) information (time, ephemeris, parameters for introducing corrections, components of the satellite velocity vector, etc.), as well as their transfer (loading) to the computer memory of the corresponding NESZ, is carried out by control stations (CS) controlling the orbits NISH, the divergence of the NISS time scales with system time and the prediction of the ephemeris of each NISS.

Используя информацию навигационных сообщений, принятых НАП, и измерения псевдодальностей до выбранных НИСЗ, устанавливают функциональные зависимости между известными координатами НИСЗ и неизвестными координатами пользователей СРНС. Определение координат пользователей сводится к решению системы навигационных уравнений с 4 неизвестными. В результате решения системы навигационных уравнений определяют четыре неизвестных: три координаты местоположения пользователя (ХП,YП,ZП) и поправку к его шкале времени (поправка к его часам).Using the information of the navigation messages received by the NAP and the measurement of the pseudoranges to the selected NLH, the functional relationships are established between the known NLH coordinates and the unknown coordinates of the SRNS users. Determining the coordinates of users comes down to solving a system of navigation equations with 4 unknowns. As a result of solving the system of navigation equations, four unknowns are determined: three coordinates of the user's location (X P , Y P , Z P ) and an amendment to his time scale (correction to his clock).

Аналогичным образом с использованием результатов измерений квазискоростей определяют три составляющих вектора скорости пользователя (ХП,YП,ZП) и поправку к частоте местного эталона частоты, используемого для формирования шкал времени.Similarly, using the results of measurements of quasi-velocities, three components of the user velocity vector are determined (X P , Y P , Z P ) and the correction to the frequency of the local frequency standard used to form time scales.

Данный способ характеризуется следующей совокупностью действий:This method is characterized by the following set of actions:

- определение координат НИСЗ, составляющих вектора скорости путем решения навигационных систем уравнений;- determination of the coordinates of the NISS constituting the velocity vector by solving navigation systems of equations;

- прогнозирование эфемерид НИСЗ ГЛОНАСС путем численного интегрирования дифференциальных уравнений движения НИСЗ;- prediction of the NESZ GLONASS ephemeris by numerically integrating the differential equations of motion of the NISS;

- измерение псевдодальностей от объекта до каждого видимого НИСЗ путем измерения фазового сдвига между псевдослучайными последовательностями (ПСП), сформированными каждым спутником, каждая из которых синхронизирована по собственному эталону времени, и ПСП, сформированной в месте приема (в НАП объекта);- measurement of pseudorange from an object to each visible NHSS by measuring the phase shift between pseudo-random sequences (SRP) generated by each satellite, each of which is synchronized according to its own time standard, and SRP formed at the receiving location (in the NAP of the object);

- измерение квазискорости путем измерения приращений дальностей на несущей частоте с использованием систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);- measurement of quasi-speed by measuring increments of ranges at the carrier frequency using phase locked loop systems (PLL);

- прием НАП навигационных радиосигналов НИСЗ и измерение псевдодальностей, радиальных псевдоскоростей НИСЗ;- NAP reception of NISS navigation radio signals and measurement of pseudorange, radial pseudo-speeds of NISS;

- определение координат, составляющих вектора скорости пользователей путем решения систем навигационных уравнений.- determination of the coordinates that make up the user velocity vector by solving systems of navigation equations.

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

- наличие наземной сети КС, осуществляющих определение координат местоположения НИСЗ (эфемерид);- the presence of a ground network of CS, determining the coordinates of the location of the NESZ (ephemeris);

- прогнозирование эфемерид каждого НИСЗ;- Prediction of the ephemeris of each NISZ;

- погрешности навигационных определений, обусловленные нестабильностью частот генераторов НИСЗ и опорных генераторов объектов, сдвигом шкал времени объектов относительно шкал времени НИСЗ, а также погрешности, вносимые вобуляцией (сдвигом) времени начала следования кодированных последовательностей, введенной для снижения точности с/а - сигнала GPS.- errors in navigation definitions due to the instability of the frequencies of the NISS generators and reference object generators, the shift of the time scales of objects relative to the NISS time scales, as well as the errors introduced by the wobble (shift) of the start time of the coded sequences introduced to reduce the accuracy of the c / a GPS signal.

Известен патент US №7.164.383 В2 от 16.01.07, G01S 5/14 «Навигационная система с использованием GPS в локальной зоне».Known US patent No. 7.164.383 B2 dated 16.01.07, G01S 5/14 "Navigation system using GPS in the local area".

В навигационной системе с использованием GPS в локальной зоне применяется дифференциальный метод позиционирования (DGPS). Система включает в себя по крайней мере три опорные станции, главную станцию, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга (15 - 1500 м) и LAAS (Local Area Augmentation System) приемник, расположенный на удаленном объекте. Каждая из опорных станций принимает GPS сигналы от спутников, определяет соответствующие псевдодальности и передает их на главную станцию по каналам связи. Главная станция принимает псевдодальности от опорных станций, вычисляет дифференциальные поправки и передает их на LAAS приемник. Приемник LAAS принимает GPS сигналы от спутников, дифференциальные поправки от главной станции и вычисляет свое точное местоположение. Дальность распространения дифференциальных поправок не превышает 37 км. Система работает в реальном масштабе времени.In a navigation system using GPS in the local area, the differential positioning method (DGPS) is used. The system includes at least three reference stations, a main station located at a short distance from each other (15 - 1500 m) and a LAAS (Local Area Augmentation System) receiver located at a remote site. Each of the reference stations receives GPS signals from satellites, determines the corresponding pseudorange, and transmits them to the main station via communication channels. The main station receives pseudorange from the reference stations, calculates the differential corrections and transmits them to the LAAS receiver. The LAAS receiver receives GPS signals from satellites, differential corrections from the main station and calculates its exact location. The distribution range of differential corrections does not exceed 37 km. The system works in real time.

Однако данная система, основанная на относительных измерениях, имеет существенные ограничения по дальности и не может использоваться на больших протяженных трассах.However, this system, based on relative measurements, has significant range limitations and cannot be used on large long paths.

Известен способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости, дальности и траекторных измерений навигирующим объектом по навигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем (см. патент РФ на изобретение №2152048, G01S 5/00 от 27.06,02., взятый за прототип), в котором антенно-приемным устройством, установленным на объекте, принимают навигационные радиосигналы спутников, содержащие в своем составе значения эфемерид, составляющие вектора скорости спутников, а также информацию для введения поправок к частоте и задержке, измеряют дальности от объекта до каждого спутника путем измерения временных сдвигов кодовых последовательностей, формируемых генераторами спутников относительно кодовой последовательности, выдаваемой генератором объекта с помощью системы слежения с задержкой (ССЗ), а также вычисляют составляющие вектора скорости объекта путем измерения принимаемых доплеровских сдвигов частоты с помощью систем слежения за несущей (ССН) и определяют координаты местоположения и составляющие вектора скорости объекта. Параллельно или последовательно во времени принимают радионавигационные сигналы спутников и по принятым эфемеридным данным вычисляют: проекции N векторов - баз, соединяющих два положения фазовых центров антенн навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) на орбите, определяемые мерными интервалами, путем вычитания одноименных компонент векторов положения фазовых центров антенн НИСЗ; модули N векторов - баз, значения направляющих косинусов, характеризующих направления векторов - баз в пространстве; значения косинусов углов между векторами-базами, и вектор положения фазового центра антенны навигационной аппаратуры пользователей (НАП) на объекте, а также значения их углов; скорости движения НИСЗ по орбите, радиусы орбит НИСЗ, затем измеряют дальности между фазовым центром антенны НАП объекта и фазовым центром антенн спутников, находящихся в точках пересечения векторов-баз, устанавливают систему линейных навигационных уравнений между известными значениями направляющих косинусов векторов - баз и неизвестными значениями направляющих косинусов векторов - дальностей, дифференцируют уравнения по времени и с использованием измеренных радиальных скоростей, приращений дальности, скоростей изменения приращения дальностей с применением ССН определяют координаты местоположения, значения составляющих векторов скорости фазового центра антенны НАП путем решения соответствующих систем уравнений. По эфемеридным данным определяют значения косинусов углов и значения углов между N векторами -базами путем решения уравнений, определяющих их функциональные зависимости. В состав эфемерид, рассчитанных по результатам прогнозирования движения спутников для определенных моментов времени, в память спутников закладывают значения модулей и значения направляющих косинусов векторов-баз, определяемые мерными интервалами, и размножают их на текущие мерные интервалы.A known method for determining the location coordinates of the vector of speed, range and trajectory measurements of a navigating object from the navigation radio signals of the spacecraft of satellite radio navigation systems (see RF patent for the invention No. 2152048, G01S 5/00 dated 06.27.02, taken as a prototype), wherein the antenna receiving device installed on the site receives satellite navigation signals containing ephemeris values constituting satellite velocity vectors, as well as information for introducing corrections to the frequency and delay, measure the distance from the object to each satellite by measuring the time shifts of the code sequences generated by the satellite generators relative to the code sequence generated by the object generator using the delayed tracking system (CVD), and also calculate the components of the object’s velocity vector by measuring the received Doppler frequency shifts using carrier tracking systems (CCH) and determine the coordinates of the location and components of the velocity vector of the object. Simultaneously or sequentially in time, the satellite’s radionavigation signals are received and, based on the received ephemeris data, the following are calculated: projections of N vectors — bases connecting the two positions of the phase centers of the antennas of artificial navigation satellites of the Earth (NISS) in orbit, determined by dimensional intervals, by subtracting the same components of the position centers of the phase centers NISS antennas; modules of N vectors - bases, values of guide cosines characterizing the directions of vectors - bases in space; the values of the cosines of the angles between the base vectors, and the position vector of the phase center of the antenna of the user's navigation equipment (NAP) on the object, as well as the values of their angles; the speed of the NISS orbit, the radii of the orbits of the NISS, then measure the distance between the phase center of the antenna of the NAP object and the phase center of the satellite antennas located at the intersection points of the base vectors, establish a system of linear navigation equations between the known values of the direction cosines of the vectors - bases and unknown values of the guides cosines of vectors - ranges, differentiate the equations with respect to time and using measured radial velocities, range increments, rate of change increments I ranges using CCH determine the coordinates of the location, the values of the components of the velocity vectors of the phase center of the antenna NAP by solving the corresponding systems of equations. Using the ephemeris data, the values of the cosines of the angles and the values of the angles between the N -base vectors are determined by solving the equations that determine their functional dependencies. The composition of the ephemeris calculated according to the results of predicting the movement of satellites for specific time instants stores the values of the modules and the values of the direction cosines of the base vectors determined by measured intervals in the satellite’s memory and multiplies them by current measured intervals.

Однако данный дифференциальный способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости, дальности ЛА по навигационным радиосигналам космических аппаратов радионавигационных систем не позволяет с необходимой точностью проводить летные исследования на больших удалениях от базовой станции на протяженных трассах.However, this differential method for determining the location coordinates that make up the velocity vector and the aircraft range from the navigation radio signals of the spacecraft of radio navigation systems does not allow flight studies to be carried out with the necessary accuracy at large distances from the base station over long routes.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в повышении точности методом абсолютного позиционирования по фазовым измерениям (АПФ) траекторных определений координат местоположения ЛА на больших протяженных трассах при проведении летных исследований, где отсутствуют наземные радионавигационные станции.The technical result to which this invention is directed is to increase the accuracy by the method of absolute positioning by phase measurements (ACE) of the trajectory determination of the coordinates of the location of the aircraft on large long routes during flight research, where there are no ground-based radio navigation stations.

Существенные признаки.Essential features.

Для получения указанного технического результата в способе высокоточных измерений траекторных координат летательного аппарата в летных исследованиях на трассах большой протяженности, основанном на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем, осуществляют следующие операции:To obtain the specified technical result in the method of high-precision measurements of the trajectory coordinates of the aircraft in flight research on long-distance paths, based on the reception of signals from spacecraft of global navigation satellite systems, the following operations are carried out:

- проведение измерения фазового сдвига между принятыми сигналами каждого космического аппарата спутниковой навигационной системы (СНС) и сигналами приемника ЛА;- measurement of the phase shift between the received signals of each spacecraft of the satellite navigation system (SNA) and the signals of the receiver of the aircraft;

- определение в наземном вычислителе текущего положения ЛА путем решения уравнений, составленных по измерениям фазовых сдвигов сигналов СНС;- determination of the current position of the aircraft in the ground computer by solving equations compiled from measurements of the phase shifts of the SNA signals;

- решение навигационной задачи определения геодезических координат: В, L, Н (геодезические В - широта, L - долгота, Н - высота над эллипсоидом) в координатной системе WGS-84;- solving the navigation problem of determining geodetic coordinates: B, L, H (geodesic B is latitude, L is longitude, H is the height above the ellipsoid) in the WGS-84 coordinate system;

согласно изобретению после полета определяют координаты ЛА методом абсолютного позиционирования по фазовым измерениям (АПФ). Для этого используют точные эфемериды и точные времена спутников. Точные эфемериды и точные времена спутников определяются Международной службой GPS (МТС) через систему Интернет. Координаты спутника вычисляют по элементам кеплеровской орбиты, которые содержатся в данных эфемерид. Алгоритм определения координат ЛА реализуют в виде последовательности вычислений, включающей в себя учет запаздывания ионосферной задержки по модели Клобучара и тропосферой задержки по модели Блэка, фиксирование целочисленного решения по кодовым последовательностям приемника СНС, определение методом наименьших квадратов координат ЛА по фазовым измерениям приемника СНС с разрешением фазовой неоднозначности использованием алгоритма с плавающим решением. Полученные прямоугольные координаты местоположения ЛА преобразуют в геодезическую систему координат.according to the invention, after the flight, the coordinates of the aircraft are determined by the method of absolute positioning by phase measurements (ACE). For this, accurate ephemeris and exact satellite times are used. The exact ephemeris and exact satellite times are determined by the International GPS Service (MTS) via the Internet. The satellite coordinates are calculated from the elements of the Keplerian orbit contained in the ephemeris data. The algorithm for determining the coordinates of the aircraft is implemented in the form of a sequence of calculations, including taking into account the delay of the ionospheric delay according to the Klobuchar model and the troposphere of the delay according to the Black model, fixing an integer solution by the code sequences of the SNA receiver, determining by the least squares coordinates of the aircraft according to the phase measurements of the SNA receiver with phase resolution ambiguities using a floating-point algorithm. The resulting rectangular coordinates of the location of the aircraft are converted into a geodetic coordinate system.

Следует отметить, что точность измерения эфемерид спутников GPS составляет 2-3 м, а ошибки часов спутника могут доходить до 10 нс, что может привести к ошибке позиционирования до 3 м. Поэтому целесообразно для получения точных координат ЛА методом АПФ пользоваться точными поправками эфемерид и точными поправками часов спутников. Для обработки данных методом АПФ необходимы данные (файлы) точных эфемерид и времени, что означает невозможность обработки в режиме АПФ в день получения данных. Файлы точных эфемерид и времени формируются организациями и структурами МГС, использующими данные спутниковых приемников, распределенными по всему миру. Эти файлы «выкладываются» в Интернете без ограничений в доступе. Задержки появления в Интернете файлов точных эфемерид и файлов поправок часов составляют от 1 до 8 суток.It should be noted that the accuracy of the GPS satellite ephemeris measurement is 2-3 m, and satellite clock errors can reach 10 ns, which can lead to positioning errors of up to 3 m. Therefore, it is advisable to use accurate ephemeris corrections and accurate amended hours satellites. To process data using the ACE method, data (files) of the exact ephemeris and time are necessary, which means that it is impossible to process in ACE mode on the day the data are received. Accurate ephemeris and time files are generated by organizations and structures of the MGS, using data from satellite receivers distributed around the world. These files are laid out on the Internet with no access restrictions. The delays in the appearance of exact ephemeris files and watch correction files on the Internet are from 1 to 8 days.

Таким образом, в отличие от дифференциального фазового режима обработки, используемого в прототипе, требующего развертывания базовых станций с известными геодезическими координатами, метод АПФ позволяет использовать данные только одного двухчастотного приемника, расположенного на ЛА, что позволяет обрабатывать данные полетов самолетов на трассах большой протяженности без использования данных наземных базовых станций с точностью 10-40 см.Thus, in contrast to the differential phase mode of processing used in the prototype, which requires the deployment of base stations with known geodetic coordinates, the ACE method allows the use of data from only one two-frequency receiver located on the aircraft, which allows the processing of flight data on long-haul routes without using data of ground base stations with an accuracy of 10-40 cm.

Тропосферные ошибки в системе обработки сигналов СНС компенсируются моделированием тропосферной вертикальной задержки и использованием фильтра Калмана, а для учета ионосферных ошибок используются фазовые двухчастотные измерения для образования комбинации фаз, свободной от влияния атмосферы.Tropospheric errors in the SNA signal processing system are compensated by modeling tropospheric vertical delay and using a Kalman filter, and phase two-frequency measurements are used to account for ionospheric errors to form a combination of phases that is free from the influence of the atmosphere.

Для обеспечения сходимости решения при обработке фазовых измерений сигналов СНС, проводимых на ЛА, некоторый период времени проводятся измерения перед взлетом и после посадки.To ensure convergence of the solution when processing phase measurements of SNA signals conducted on an aircraft, measurements are taken for a period of time before takeoff and after landing.

Перечень фигур на чертежах.The list of figures in the drawings.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена функциональная схема измерений сигналов СНС и их наземной обработки, где изображены:To clarify the invention, figure 1 shows a functional diagram of the measurement of the signals of the SNA and their ground processing, which shows:

1 - искусственные спутники Земли (ИСЗ) спутниковой навигационной системы (СНС);1 - artificial Earth satellites (AES) of a satellite navigation system (SNA);

2 - летательный аппарат (ЛА);2 - aircraft (LA);

3 - антенна;3 - antenna;

4 - приемник СНС;4 - receiver SNS;

5 - комплекс бортовых траекторных измерений (КБТИ);5 - a complex of on-board trajectory measurements (KBTI);

6, 7 - координаты местоположения взлета и посадки ЛА;6, 7 - coordinates of the location of the takeoff and landing of the aircraft;

8 - научно-исследовательские организации, МГС;8 - research organizations, IGU;

9 - система Интернет;9 - Internet system;

10 - наземный вычислитель;10 - ground computer;

11 - аппаратура ИСЗ;11 - satellite equipment;

12 - антенна ИСЗ;12 - satellite antenna;

13 - радиопередатчик ИСЗ;13 - satellite transmitter;

14 - фазово-дальномерная система (ФДС);14 - phase rangefinder system (FDS);

15, 21 - электронный генератор (ЭГ);15, 21 - electronic generator (EG);

16 - бортовая аппаратура ЛА;16 - aircraft onboard equipment;

17 - бортовая антенна ЛА;17 - aircraft onboard antenna;

18 - радиоприемник (РПМ) ЛА;18 - radio receiver (RPM) aircraft;

19 - измеритель В, L, Н;19 - meter B, L, H;

20 - формирователь аппаратурного сигнала.20 - shaper hardware signal.

На фиг.2 показан пример структурной схемы аппаратуры передающей части на ИСЗ и приемной части на ЛА.Figure 2 shows an example of a structural diagram of the equipment of the transmitting part on the satellite and the receiving part on the aircraft.

На фиг.3 показан пример определения несущей амплитудной (L1, L2) и фазовой модуляции сигналов, принимаемых приемником на ЛА, где 22 - амплитуда несущей частоты сигнала СНС, 23 - фазовая модуляция.Figure 3 shows an example of determining the amplitude carrier (L 1, L 2 ) and phase modulation of the signals received by the receiver in the aircraft, where 22 is the amplitude of the carrier frequency of the SNA signal, 23 is phase modulation.

На фиг.4 показаны примеры измерения дробной и полной фазы несущей частоты сигнала СНС, где 24 - фаза сигнала, полученная со спутника с доплеровским смещением, 25 - несущая, созданная в приемнике, 26 - сигнал биений по оси времени.Figure 4 shows examples of measuring the fractional and full phase of the carrier frequency of the SNA signal, where 24 is the phase of the signal received from the satellite with Doppler shift, 25 is the carrier created in the receiver, 26 is the beat signal along the time axis.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Способ высокоточных измерений траекторных координат летательного аппарата в летных исследованиях на трассах большой протяженности работает следующим образом. На самолете 2 размещается антенна 3 приемника СНС 4, с помощью которого производят фазовые измерения на двух частотах L1 и L2 навигационных спутников - 1 группировок GPS и ГЛОНАСС. Во время полета информация приемника СНС, выдаваемая в формате RS-232, регистрируется в бортовом блоке комплекса бортовых траекторных измерений (КБТИ) - 5 с частотой 1 Гц. Обработка зарегистрированных сигналов приемников СНС и определение координат местоположения самолета производят после полета в наземном вычислителе - 10, с использованием файлов точных эфемерид и точного времени, полученных научно-исследовательскими организациями 8 и загруженных из Интернета 9, см. фиг.1.The method of high-precision measurements of the trajectory coordinates of the aircraft in flight research on long-distance routes works as follows. On airplane 2, the antenna 3 of the SNA 4 receiver is located, with the help of which phase measurements are made at two frequencies L 1 and L 2 of navigation satellites - 1 GPS and GLONASS constellations. During the flight, the information of the SNA receiver, issued in the RS-232 format, is recorded in the on-board unit of the complex of on-board trajectory measurements (KBTI) - 5 with a frequency of 1 Hz. Processing the registered signals of the SNA receivers and determining the coordinates of the aircraft’s location is carried out after a flight in the ground computer - 10, using the exact ephemeris and exact time files received by research organizations 8 and downloaded from the Internet 9, see Fig. 1.

Вычисление координат антенны приемника СНС производят в системе координат, связанной с эллипсоидом WGS-84 (World Geodetic System of 1984). Система координат жестко связана с Землей. Центр прямоугольной системы координат размещается в условном центре Земли. Оси X и Y лежат в плоскости экватора, первая из них пересекает нулевой меридиан. Ось Z составляет с осями X и Y правую тройку, направлена в сторону северного полюса и параллельна оси собственного вращения Земли.The coordinates of the antenna of the SNA receiver are calculated in the coordinate system associated with the ellipsoid WGS-84 (World Geodetic System of 1984). The coordinate system is rigidly connected with the Earth. The center of the rectangular coordinate system is located in the conditional center of the Earth. The X and Y axes lie in the equatorial plane, the first of them intersects the zero meridian. The Z axis makes up the right three with the X and Y axes, is directed towards the north pole and is parallel to the axis of the Earth's own rotation.

«Сырые» кодовые и фазовые измерения приемника СНС содержат в себе погрешности, зависящие от целого ряда причин. Погрешности в измерении псевдодальностей до навигационных спутников вызывают ошибки в нахождении навигационных параметров антенны приемника СНС. Наиболее существенными из них являются:The “raw” code and phase measurements of the SNA receiver contain errors that depend on a number of reasons. Errors in the measurement of pseudorange to navigation satellites cause errors in finding the navigation parameters of the antenna of the SNA receiver. The most significant of them are:

- ошибка часов спутника;- satellite clock error;

- ошибка часов приемника СНС;- error of the clock of the SNA receiver;

- ошибки в эфемеридах спутника;- errors in the satellite ephemeris;

- искажение сигнала при прохождении слоев ионосферы;- signal distortion when passing through the layers of the ionosphere;

- искажение сигнала при прохождении слоев тропосферы;- signal distortion during the passage of troposphere layers;

- многолучевость;- multipath;

- случайный шум приемника СНС;- random noise of the SNA receiver;

- неоднозначность фазовых измерений.- ambiguity of phase measurements.

Дальномерный сигнал формируется на ИСЗ 11 формирователем дальномерного сигнала (ФДС) 14 из колебаний эталонного генератора (ЭГ) 15, см. фиг.2. Подобный генератор 21 на ЛА 2 с помощью формирователя аппаратурного сигнала (ФАС) 20 формирует сигнал по формату, аналогичному дальномерному. При фазовом методе измерения дальности ФДС и ФАС формируют синфазные низкочастотные колебания, обладающие высокой долговременной стабильностью частоты. Входящий в состав бортового оборудования ЛА измеритель 19 (ИЗМ) сравнивает принятый от ИСЗ 11 сигнал с аппаратурным и определяет дальность по времени запаздывания или разности фаз.The ranging signal is generated on the satellite 11 by the shaper of the ranging signal (FDS) 14 from the oscillations of the reference generator (EG) 15, see FIG. 2. A similar generator 21 on the aircraft 2 using a hardware signal shaper (FAS) 20 generates a signal in a format similar to the rangefinder. With the phase method of measuring the range, the FDS and FAS form in-phase low-frequency oscillations with high long-term frequency stability. The meter 19 (IZM), which is part of the onboard equipment of the aircraft, compares the signal received from the satellite 11 with the hardware signal and determines the distance in terms of the delay time or phase difference.

Данные СНС основаны на определении разности до нескольких ИСЗ. Достоинством СНС является исключение методической погрешности ΔDc при измерении фазового сдвига между принятыми от нескольких ИСЗ сигналами. При этом эталоны времени - фазы на всех ИСЗ привязаны к единой шкале с высокой точностью.SNA data is based on determining the difference to several satellites. The advantage of the SNA is the exclusion of the methodological error ΔD c when measuring the phase shift between the signals received from several satellites. Moreover, time standards - phases on all satellites are tied to a single scale with high accuracy.

Длина волны несущей небольшая по сравнению с кодовой псевдодальностью - около 19 см для L1 и 24 см для L2. Т.к. разрешение измерений составляет 1-2% от длины волны, то фаза несущей может быть измерена с миллиметровой точностью, по сравнению с точностью в несколько метров для кодовых измерений. Но фазовое измерение недостаточно, поскольку невозможно отличить (и на L1 и на L2) одну волну от другой. Информация о времени передачи для сигнала на L1 не может быть зафиксирована на несущей волне, поэтому основное фазовое измерение лежит в диапазоне от 0 до 360° - это дробная фаза (120-45° - сигнал биений), 27, см. фиг.4.The carrier wavelength is small compared to code pseudorange - about 19 cm for L 1 and 24 cm for L 2 . Because Since the resolution of measurements is 1-2% of the wavelength, the phase of the carrier can be measured with millimeter accuracy, compared with an accuracy of several meters for code measurements. But the phase measurement is not enough, because it is impossible to distinguish (on L 1 and L 2 ) one wave from another. Information about the transmission time for the signal on L 1 cannot be fixed on the carrier wave, therefore, the main phase measurement lies in the range from 0 to 360 ° - this is a fractional phase (120-45 ° is the beat signal), 27, see Fig. 4 .

Для получения полной фазы несущей в приемнике 18 бортовой аппаратуры - 16 поддерживается слежение за целым числом длин волн несущей (В), в результате которого образуется наблюдение непрерывной (накопленной) фазы (360°N+120°) до (360°(N+B)+45°), 26, см. фиг.4:To obtain the full phase of the carrier in the receiver 18 of the on-board equipment - 16, tracking of an integer number of carrier wavelengths (B) is supported, which results in the observation of a continuous (accumulated) phase (360 ° N + 120 °) to (360 ° (N + B ) + 45 °), 26, see figure 4:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где TA - время приемника А,

Figure 00000002
А) - дробная фаза, измеренная как угол в пределах от 0 до 360°, где 360° соответствует ~19 см для фазы L1 и 24 см для фазы L2, а CR - текущий отсчет по счетчику переходов через ноль, который регистрирует только число целых циклов со времени захвата. Начальный отсчет по счетчику
Figure 00000003
равен 0, член в квадратных скобках является целым числом. Нижний индекс А относится к приемнику РПМ 18, верхний индекс i - к спутнику 11. Соотношение между фазой
Figure 00000004
и расстоянием
Figure 00000005
имеет вид
Figure 00000006
, гдеwhere T A is the time of receiver A,
Figure 00000002
(T A ) is the fractional phase, measured as an angle in the range from 0 to 360 °, where 360 ° corresponds to ~ 19 cm for phase L 1 and 24 cm for phase L 2 , and C R is the current count for the zero transition counter, which only records the number of whole cycles since capture. Countdown
Figure 00000003
equals 0, the term in square brackets is an integer. The lower index A refers to the receiver RPM 18, the upper index i refers to satellite 11. The relationship between the phase
Figure 00000004
and distance
Figure 00000005
has the form
Figure 00000006
where

Figure 00000007
- есть целая неоднозначность, a v содержит все смещения и ошибки, влияющие на это измерение. Величина (f0/c) переводит расстояние в единицы циклов. - постоянная во времени величина для каждой отдельной пары «приемник-спутник». Чтобы преобразовать эти наблюдения фазы в расстояние, необходимо определить неоднозначность циклов. Если целое число
Figure 00000009
определено, то полученное «фазовое расстояние» (или «расстояние по несущей») будет очень точным расстоянием (на уровне нескольких миллиметров).
Figure 00000007
- there is a whole ambiguity, av contains all the biases and errors that affect this dimension. The value (f 0 / c) translates the distance into units of cycles. - constant in time value for each separate pair of "receiver-satellite". To convert these phase observations to distances, it is necessary to determine the ambiguity of the cycles. If an integer
Figure 00000009
defined, the resulting "phase distance" (or "distance along the carrier") will be a very accurate distance (at the level of several millimeters).

Число целых циклов N не наблюдается, приемник 18 ЛА 4 только учитывает изменение в нем. Потеря захвата сигнала счетчика приводит к потере счета циклов в непрерывной фазе. Начальная величина неоднозначности N определяется, что составляет проблему разрешения неоднозначности фазовых измерений.The number of whole N cycles is not observed, the receiver 18 LA 4 only takes into account the change in it. Loss of capture of the counter signal leads to loss of counting cycles in the continuous phase. The initial value of the ambiguity N is determined, which is the problem of resolving the ambiguity of the phase measurements.

В приемнике 18 сигнал на промежуточной частоте преобразуется в цифровой форме и выполняет слежение за кодами и фазами с помощью программы в микрокомпьютере. Приемник 18 выполняет операции: начальный захват сигналов спутника 1, отслеживание кодовых и фазовых сигналов, извлечение навигационного сообщения, определение координат пользователя, контроль текущих состояний спутников в созвездии 1. Эти операции приемника контролируются микропроцессором. Программа для микропроцессора является инструкцией работы приемника 18, устанавливается в его памяти.At receiver 18, a signal at an intermediate frequency is digitally converted and monitors codes and phases using a program in a microcomputer. The receiver 18 performs the following operations: initial capture of satellite 1 signals, tracking code and phase signals, extracting a navigation message, determining user coordinates, monitoring the current status of satellites in constellation 1. These receiver operations are controlled by a microprocessor. The program for the microprocessor is an instruction manual for the receiver 18, is installed in its memory.

Микропроцессоры наземного вычислителя 10 работают с цифровым представлением псевдодальностей и фазы несущей. Они получаются в результате преобразования в некоторой точке в цифровом потоке, которые выполняют фильтрацию этих данных с целью уменьшения влияния шума или для получения надежных значений положения и скоростей объекта. Наземный вычислитель 10 имеет клавиатуру и дисплей для интерфейса с пользователем, для ввода команд, опций, данных наблюдения, вспомогательную информацию.The microprocessors of the ground computer 10 operate with a digital representation of the pseudorange and carrier phase. They are obtained by converting at some point in the digital stream, which filter this data in order to reduce the influence of noise or to obtain reliable values of the position and speed of the object. The ground computer 10 has a keyboard and a display for user interface, for entering commands, options, surveillance data, auxiliary information.

Наземная обработка с помощью вычислителя 10 предполагает операции ввода данных измерений фазового сдвига между принятыми сигналами каждого космического аппарата спутниковой навигационной системы (СНС) и сигналами приемника ЛА из КБТИ 5 (регистратора).Ground processing using calculator 10 involves the operation of inputting phase shift measurement data between the received signals of each spacecraft of the satellite navigation system (SNA) and the signals of the aircraft receiver from KBTI 5 (registrar).

Затем путем абсолютного позиционирования по фазовым измерениям за счет использования точных эфемерид и точного времени спутника, определяемыми Международной службой GPS (МГС) 8 через систему Интернет 9, вычисляют позиции спутника по элементам кеплеровской орбиты, которые содержатся в данных эфемерид, а алгоритм определения координат ЛА реализуется в виде последовательности вычислений, включающей в себя учет запаздывания ионосферной задержки по модели Клобучара и тропосферой задержки по модели Блэка, фиксирование целочисленного решения по кодовым последовательностям приемника СНС, определение методом наименьших квадратов координат ЛА по фазовым измерениям приемника СНС с разрешением фазовой неоднозначности, используя алгоритм с плавающим решением, преобразование полученных прямоугольных координат местоположения ЛА в геодезическую систему координат. Для обеспечения сходимости в алгоритме плавающего решения необходимой точности проводят статические измерения сигналов СНС перед взлетом и после посадки ЛА.Then, by absolute positioning by phase measurements due to the use of accurate ephemeris and the exact satellite time determined by the International GPS Service (MGS) 8 via the Internet 9, satellite positions are calculated using the elements of the Kepler’s orbit that are contained in the ephemeris data, and the algorithm for determining the coordinates of the aircraft is implemented in the form of a sequence of calculations, including taking into account the delay of the ionospheric delay according to the Klobuchar model and the troposphere of the delay according to the Black model, fixing an integer solution SNA by code sequences of the receiver, the determination method of least squares on the aircraft coordinates SNA receiver phase measurements with a resolution of the phase ambiguity algorithm using the floating solution, converting the obtained rectangular coordinate locations LA geodetic coordinate system. To ensure convergence in the algorithm of the floating solution of the required accuracy, static measurements of the SNS signals are carried out before takeoff and after landing the aircraft.

При решении задачи позиционирования в процессе обработки спутниковых данных необходимо знать позиции спутников и точный момент времени излучения сигнала спутником, для определения которого необходимо иметь погрешности времени часов спутника.When solving the positioning problem in the process of processing satellite data, it is necessary to know the position of the satellites and the exact moment of time the signal was emitted by the satellite, to determine which it is necessary to have satellite clock time errors.

Позиция спутника вычисляется по элементам кеплеровской орбиты, которые содержатся в данных эфемерид, передающихся в навигационном сообщении каждого спутника. Алгоритм определения позиции спутника реализуется в виде последовательности вычислений (Интерфейсный контрольный документ.INTERFACE CONTROL DOCUMENT, Navstar GPS Space Segment /Navigation User Interfaces/ Revision IRN-200C-004, 12 April 2000. ARTNC RESEARCH CORPORATION 2250 E. Imperial Highway, Suite 450 EI Segundo, CA 90245-3509).The position of the satellite is calculated by the elements of the Keplerian orbit, which are contained in the ephemeris data transmitted in the navigation message of each satellite. The satellite position determination algorithm is implemented as a sequence of calculations (Interface control document. INTERFACE CONTROL DOCUMENT, Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces / Revision IRN-200C-004, April 12, 2000. ARTNC RESEARCH CORPORATION 2250 E. Imperial Highway, Suite 450 EI Segundo, CA 90245-3509).

Figure 00000010
Figure 00000010

Многолетний опыт спутниковых измерений показывает, что точность бортовых эфемерид спутников составляет 2-3 м, а ошибки часов спутника могут доходить до 10 нс, (т.е. до 3 м).Years of experience in satellite measurements show that the accuracy of satellite on-board ephemeris is 2-3 m, and satellite clock errors can reach up to 10 ns (i.e., up to 3 m).

Алгоритм коррекции времени GPS на момент излучения спутником сигнала PRN следующий (контрольный интерфейсный документ ICD-GPS-200C, пункт 20.3.3.3.1):The GPS time correction algorithm at the time the satellite emits the PRN signal is as follows (control interface document ICD-GPS-200C, clause 20.3.3.3.1):

t=tsv-Δtsv t = t sv -Δt sv скорректированное время GPS на момент излучения PRN сигнала спутником,the adjusted GPS time at the time of the emission of the PRN signal by the satellite, гдеWhere PRNPRN Псевдослучайный сигнал спутникаSatellite pseudo-random signal tsv t sv время GPS на момент излучения PRN сигналаGPS time at the time of emission of the PRN signal Δtsv Δt sv смещение (погрешность) часов спутникаoffset (error) of the satellite clock

Погрешность часов спутника определяется из уравнения:The error of the satellite clock is determined from the equation:

Figure 00000011
Figure 00000011

гдеWhere

af0, af1, af2 a f0 , a f1 , a f2 коэффициенты полинома (из навигационного сообщения);polynomial coefficients (from a navigation message); toc t oc опорное время данных часов (из навигационного сообщения);reference time of the clock data (from the navigation message); Δtr=Fe(A)1/2sinEk Δt r = Fe (A) 1/2 sinE k поправка на релятивистский эффект;correction for the relativistic effect;

Figure 00000012
Figure 00000012
константа=-4.442807633(10)-10 сек/(м)1/2;constant = -4.442807633 (10) -10 sec / (m) 1/2 ; µ=3.986005·1014 µ = 3.986005 · 10 14 гравитационная постоянная земли;Earth's gravitational constant; с=2.99792458·108 s = 2.9979245810 8 скорость света.speed of light.

Для повышения точности вычисления дальности до спутника необходимо знать задержки сигнала при прохождении ионосферы и тропосферы.To increase the accuracy of calculating the distance to the satellite, it is necessary to know the signal delay during the passage of the ionosphere and troposphere.

Ионосферные задержки при абсолютном методе измерений дают ошибки в расстоянии до 20-30 м и более. Модель ионосферы, полученная из восьми параметров навигационного сообщения спутника, позволяет учесть до 50% ионосферной задержки. Далее приведена модель ионосферы для коррекции ионосферной задержки («модель Клобучара» (Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т.2. Монография / К.М.Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картоцентр», 2006. - 360 с.).Ionospheric delays with the absolute measurement method give errors in the distance up to 20-30 m or more. The ionosphere model obtained from eight parameters of the satellite navigation message allows taking into account up to 50% of the ionospheric delay. The following is a model of the ionosphere for correcting the ionospheric delay (“Klobuchar model” (K. Antonovich. Use of satellite radio navigation systems in geodesy. In 2 vols. T.2. Monograph / K. M. Antonovich; GOU VPO “Siberian State Geodetic Academy” . - M.: FGUP Kartotsentr, 2006. - 360 p.).

Figure 00000013
Figure 00000013

AMP - амплитудный коэффициент.AMP is the amplitude coefficient.

Коррекция Tiono определяется для L1 частоты. Для частоты L2 коррекция определяется коэффициентом γT iono correction is determined for L1 frequency. For frequency L2, the correction is determined by the coefficient γ

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

t=4.32 * 104λi+GPS time (сек)t = 4.32 * 10 4 λ i + GPS time (sec)

0≤t<86400: иначе, если t≥86400, то вычесть 86400 секунд;0≤t <86400: otherwise, if t≥86400, then subtract 86400 seconds;

если t<0, то добавить 86400 секунд.if t <0, then add 86400 seconds.

Обозначение элементов, используемых при вычислении ионосферной задержки:Designation of the elements used in calculating the ionospheric delay:

- Элементы, передаваемые спутником в навигационном сообщении:- Elements transmitted by the satellite in the navigation message:

αn - коэффициенты кубического уравнения, представляющие амплитуду вертикальной задержки (4 коэффициента по 8 бит каждый);α n are the coefficients of the cubic equation representing the amplitude of the vertical delay (4 coefficients of 8 bits each);

βn - коэффициенты кубического уравнения, представляющие период ионосферной модели (4 коэффициента по 8 бит каждый).β n are the coefficients of the cubic equation representing the period of the ionospheric model (4 coefficients of 8 bits each).

- Элементы, генерируемые наземным вычислителем:- Elements generated by a ground computer:

Е - угол места спутника (полуциклы);E - satellite elevation angle (half cycles);

А - азимут спутника (полуциклы);A - satellite azimuth (half cycles);

u - геодезическая широта пользователя (полуциклы) WGS-84;u - geodetic latitude of the user (half-cycle) WGS-84;

λu - геодезическая долгота пользователя (полуциклы) WGS-84.λ u - geodetic longitude of the user (half-cycle) WGS-84.

- Вычисляемые элементы:- Calculated elements:

χ - фаза (радианы);χ - phase (radians);

F - фактор наклона;F is the slope factor;

t - локальное время (сек);t is local time (sec);

ϕm - геомагнитная широта земной проекции точки пересечения линии визирования с ионосферным слоем (средняя высота слоя предполагается 350 км) (полуциклы);ϕ m is the geomagnetic latitude of the earth projection of the point of intersection of the line of sight with the ionospheric layer (the average layer height is assumed to be 350 km) (half-cycles);

λi - геодезическая долгота земной проекции точки пересечения линии визирования с ионосферным слоем (полуциклы);λ i is the geodetic longitude of the earth projection of the point of intersection of the line of sight with the ionospheric layer (half-cycles);

ψ - центральный земной угол между позицией пользователя и земной проекцией точки пересечения линии визирования с ионосферным слоем (полуциклы).ψ is the central earth angle between the user’s position and the earth projection of the point of intersection of the line of sight with the ionospheric layer (half-cycles).

При двухчастотных измерениях можно оценить ионосферную задержку и получить псевдодальность, свободную от влияния ионосферы.With two-frequency measurements, it is possible to estimate the ionospheric delay and obtain a pseudorange free from the influence of the ionosphere.

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

гдеWhere

А - А=40.3·ТЕС является неизвестным параметром;A - A = 40.3 · TEC is an unknown parameter;

ТЕС - плотность содержания электронов в ионосфере;TEC — electron density in the ionosphere;

PL1 - псевдодальность, измеренная на частоте L1;P L1 is the pseudorange measured at the frequency L1;

PL2 - псевдодальность, измеренная на частоте L2;P L2 is the pseudorange measured at the frequency L2;

fL1 - частота несущей L1;f L1 - carrier frequency L1;

fL1 - частота несущей L2.f L1 - carrier frequency L2.

Псевдодальность, свободная от влияния ионосферы, содержит ошибки часов спутника, эфемерид и тропосферы. Кроме того, она значительно более шумная, чем псевдодальности, измеренные на L1 и L2 (примерно в 3 раза больше).Pseudorange, free from the influence of the ionosphere, contains errors of the satellite clock, ephemeris and troposphere. In addition, it is much more noisy than the pseudorange measured on L1 and L2 (about 3 times more).

При двухчастотных фазовых измерениях появляется возможность оценки ионосферного опережения фазы (Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т.1. Монография /К.М.Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картоцентр», 2006. - 360 с.).With two-frequency phase measurements, it becomes possible to estimate the ionospheric phase advance (Antonovich K.M. Use of satellite radio navigation systems in geodesy. In 2 vols. T.1. Monograph / K.M. Antonovich; GOU VPO Siberian State Geodetic Academy. - M .: FSUE “Kartotsentr”, 2006. - 360 p.).

Figure 00000019
Figure 00000019

гдеWhere

fL1 - частота несущей L1;f L1 - carrier frequency L1;

fL2 - частота несущей L2;f L2 - carrier frequency L2;

λL1 - длина волны L1;λ L1 - wavelength L1;

λL2 - длина волны L2;λ L2 - wavelength L2;

ФL1 - фаза несущей, измеренная на частоте L1;Ф L1 is the phase of the carrier, measured at a frequency of L1;

ФL2 - фаза несущей, измеренная на частоте L2;Ф L2 - carrier phase, measured at the frequency L2;

NL1 - целая неоднозначность на частоте L1;N L1 - the whole ambiguity at the frequency L1;

NL2 - целая неоднозначность на частоте L2.N L2 - the whole ambiguity at the frequency L2.

Оценка ионосферной задержки по фазовым измерениям оказывается точной (порядка 1 см), но содержит целые неоднозначности, определение которых является достаточно сложной задачей. Шумные оценки ионосферной задержки по кодам можно сгладить по оценкам дифференциальной задержки (между эпохами) из фазовых измерений. Полученные сглаженные оценки обычно имеют дециметровый уровень точности, после того, как спутник поднялся до угла места 300.Estimation of the ionospheric delay by phase measurements turns out to be accurate (of the order of 1 cm), but contains whole ambiguities, the determination of which is a rather difficult task. Noisy estimates of ionospheric delay by codes can be smoothed out by estimates of differential delay (between epochs) from phase measurements. The obtained smoothed estimates usually have a decimeter level of accuracy after the satellite has ascended to an elevation angle of 300.

Тропосферные задержки дают ошибки в расстояниях до спутника от 2,5 м в зените до 26 м при до угле места 50. Для оценки тропосферной задержки можно использовать модель Блэка. Формула тропосферной задержки Блэка представляет собой сумму интегралов гидростатической и влажной составляющих преломления показателей по пути луча:Tropospheric delays give errors in distances to the satellite from 2.5 m at the zenith to 26 m at an elevation angle of 50. To estimate the tropospheric delay, you can use the Black model. Black's tropospheric delay formula is the sum of the integrals of the hydrostatic and wet components of the refraction of the parameters along the path of the beam:

Figure 00000020
Figure 00000020

Гидростатическая часть тропосферной задержки представляется выражением:The hydrostatic part of the tropospheric delay is represented by the expression:

Figure 00000021
,
Figure 00000021
,

а влажная составляющаяand the wet component

Figure 00000022
,
Figure 00000022
,

гдеWhere

Nh - гидростатический показатель преломления;N h - hydrostatic refractive index;

Nw - влажный показатель преломления;N w - wet refractive index;

ρ - геометрическая дальность по прямой от пользователя до спутника;ρ is the geometric distance in a straight line from the user to the satellite;

Figure 00000023
- гидростатическая часть тропосферной задержки;
Figure 00000023
- hydrostatic part of the tropospheric delay;

РА - давление в атмосферах;P A is the pressure in the atmospheres;

ТА - температура в градусах Кельвина;T A - temperature in degrees Kelvin;

Ei - угол места спутника в градусах;E i is the satellite elevation angle in degrees;

L - L=0,85;L is L = 0.85;

HS,h - высота HS,h=14898(TA - 4,12);H S, h - height H S, h = 14898 (T A - 4.12);

HS,w - высота HS,h=13000 м над пользователем;H S, w - height H S, h = 13000 m above the user;

rA - радиус-вектор до станции;r A is the radius vector to the station;

kw - коэффициент климатических условий.k w - coefficient of climatic conditions.

Значения эффициента kw приведены в таблице:The values of the coefficient k w are given in the table: Климатические условияClimatic conditions kw k w Лето в тропиках или средних широтахSummer in the tropics or mid-latitudes 0,280.28 Весна или осень в средних широтахSpring or fall in mid-latitudes 0,200.20 Зима в средних широтах (море)Winter in the middle latitudes (sea) 0,120.12 Зима в средних широтах (континент)Winter in the middle latitudes (continent) 0,060.06 Полярные районыPolar regions 0,050.05

Для абсолютного позиционирования по фазовым измерениям существуют математические модели, позволяющие уменьшить ошибки позиционирования, возникающие в результате прохождении спутникового сигнала через ионосферу и тропосферу. Однако остаются ошибки бортовых эфемерид (2-3 м) и ошибки часов спутника (до 3 м). Для минимизации этих ошибок используются точные орбиты (файлы точных эфемерид и файлы точного времени спутников). Точные эфемериды и точные поправки часов спутников являются продуктами пост-обработки. Они представляются Международной GPS службой (МГС) и другими службами после наблюдений и имеют объявленную точность меньше 5 см в положении и 0.1 нс по времени.For absolute positioning by phase measurements, there are mathematical models that can reduce positioning errors resulting from the passage of a satellite signal through the ionosphere and troposphere. However, onboard ephemeris errors (2-3 m) and satellite clock errors (up to 3 m) remain. To minimize these errors, accurate orbits are used (exact ephemeris files and satellite exact time files). Exact ephemeris and accurate corrections of satellite clocks are post-processing products. They are represented by the International GPS Service (MGS) and other services after observations and have a declared accuracy of less than 5 cm in position and 0.1 ns in time.

Международная GPS служба (МГС) является международной научной организацией (официально начала действовать с 1 января 1994 года), которая собирает, архивирует, распределяет данные наблюдений ГЛОНАСС/GPS приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников, параметров вращения Земли, координат и скоростей станций слежения и спутников, а также информацию об ионосфере и тропосфере. МГС состоит из сети станций наблюдений, расположенных по всему миру, Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета. Точные данные орбит можно получать через систему Интернет 9 непосредственно с сайта МГС (www.igscb.jpl.nasa.gov) без ограничения в доступе. Поскольку они вычисляются по данным, собранным со всех станций мировой сети, то они являются наилучшими из доступных точных орбит.The International GPS Service (MGS) is an international scientific organization (officially started operating on January 1, 1994) that collects, archives, distributes GLONASS / GPS observations from receivers and uses them to calculate high-precision satellite ephemeris, Earth rotation parameters, coordinates and station speeds tracking and satellites, as well as information on the ionosphere and troposphere. The IGU consists of a network of observation stations located around the world, Data Centers, Analysis Centers, Analysis Coordinator, Central Bureau and Governing Council. Accurate orbit data can be obtained via the Internet 9 system directly from the IGU website ( www.igscb.jpl.nasa.gov ) without restriction of access. Since they are calculated from data collected from all stations of the world network, they are the best available accurate orbits.

Успешное решение заявленным способом основывается на непрерывном измерении фазы несущей от как можно большего числа спутников. Это типичная ситуация при измерениях на самолетах. При наличии хорошего качества непрерывных двухчастотных фазовых измерений метод АПФ обеспечивает точность в кинематическом режиме 10-40 см. В статическом режиме точность значительно зависит от времени наблюдений: 24 часа - 2 см, 8 часов - 4 см, 2 часа - 10 см.A successful solution of the claimed method is based on continuous measurement of the phase of the carrier from as many satellites as possible. This is a typical situation when measuring on airplanes. If there is a good quality of continuous two-frequency phase measurements, the ACE method provides accuracy in the kinematic mode of 10-40 cm. In the static mode, the accuracy significantly depends on the observation time: 24 hours - 2 cm, 8 hours - 4 cm, 2 hours - 10 cm.

После решения навигационной задачи прямоугольные координаты преобразуются в геодезические координаты: В, L, Н (геодезические: В - широта, L - долгота, Н - высота над эллипсоидом) в координатной системе WGS-84.After solving the navigation problem, the rectangular coordinates are converted into geodetic coordinates: B, L, H (geodetic: B - latitude, L - longitude, H - height above the ellipsoid) in the WGS-84 coordinate system.

Таким образом, заявленным способом достигается повышение точности траекторных определений координат местоположения ЛА на больших протяженных трассах при проведении летных исследований, где отсутствуют наземные радионавигационные станции. Кроме того, в отличие от дифференциального фазового режима обработки, требующего развертывания базовых станций с известными геодезическими координатами, метод АПФ использует данные только одного двухчастотного приемника, расположенного на удаленном объекте, что позволяет обрабатывать данные полетов самолетов на трассах большой протяженности с точностью 10-40 см. Заявленный способ может быть использован для определения точностных характеристик и исследования систем сопровождения авиационных объектов.Thus, the claimed method achieves an increase in the accuracy of the trajectory determination of the coordinates of the location of the aircraft on large long routes during flight research, where there are no ground-based radio navigation stations. In addition, unlike the differential phase mode of processing, which requires the deployment of base stations with known geodetic coordinates, the ACE method uses data from only one two-frequency receiver located at a remote site, which allows you to process aircraft flight data on long-haul routes with an accuracy of 10-40 cm The claimed method can be used to determine the accuracy characteristics and study of tracking systems of aviation objects.

Claims (2)

1. Способ высокоточных измерений траекторных координат летательного аппарата (ЛА) в летных исследованиях на трассах большой протяженности, основанный на приеме сигналов от космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем, включающий проведение измерения фазового сдвига между принятыми сигналами каждого космического аппарата спутниковой навигационной системы (СНС) и сигналами приемника ЛА, в наземном вычислителе определение текущего положения ЛА путем решения уравнений, составленных по измерениям фазовых сдвигов сигналов космических аппаратов спутниковой навигационной системы (СНС), решение навигационной задачи определения геодезических координат: В, L, Н (геодезические В - широта, L - долгота, Н - высота над эллипсоидом) в координатной системе WGS-84, отличающийся тем, что после полета с помощью наземного вычислителя путем абсолютного позиционирования по фазовым измерениям за счет использования точных эфемерид и точного времени спутника, определяемыми Международной службой GPS (MГC) через систему Интернет, вычисляют позиции спутника по элементам кеплеровской орбиты, которые содержатся в данных эфемерид, а алгоритм определения координат ЛА реализуются в виде последовательности вычислений, включающей в себя учет запаздывания ионосферной задержки по модели Клобучара и тропосферой задержки по модели Блэка, фиксирование целочисленного решения по кодовым последовательностям приемника СНС, определение методом наименьших квадратов координат ЛА по фазовым измерениям приемника СНС с разрешением фазовой неоднозначности, используя алгоритм с плавающим решением, преобразование полученных прямоугольных координат местоположения ЛА в геодезическую систему координат.1. A method for high-precision measurements of the trajectory coordinates of an aircraft (LA) in flight research on long-distance paths, based on the reception of signals from spacecraft of global navigation satellite systems, including measuring the phase shift between the received signals of each spacecraft of a satellite navigation system (SNA) and the signals of the receiver of the aircraft, in the ground computer, determining the current position of the aircraft by solving equations compiled from measurements of phase shifts with signals of spacecraft of the satellite navigation system (SSS), solving the navigation problem of determining the geodetic coordinates: B, L, H (geodetic B is latitude, L is longitude, N is the height above the ellipsoid) in the WGS-84 coordinate system, characterized in that after flight using a ground computer by absolute positioning according to phase measurements by using accurate ephemeris and accurate satellite time, determined by the International GPS Service (MGS) via the Internet, calculate the satellite position using Kepler elements of the orbit contained in the ephemeris data, and the algorithm for determining the coordinates of the aircraft is implemented in the form of a calculation sequence that includes taking into account the delay of the ionospheric delay according to the Klobuchar model and the troposphere of the delay according to the Black model, fixing an integer solution from the SNA receiver code sequences, determining by the least squares method the coordinates of the aircraft according to the phase measurements of the SNA receiver with the resolution of phase ambiguity, using the algorithm with a floating solution, the conversion of the obtained rhombic coordinates of the location of the aircraft in the geodetic coordinate system. 2. Способ высокоточных измерений траекторных координат летательного аппарата в летных исследованиях на трассах большой протяженности по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения сходимости в алгоритме плавающего решения необходимой точности проводят статические измерения сигналов СНС перед взлетом и после посадки ЛА. 2. The method of high-precision measurements of the trajectory coordinates of the aircraft in flight research on long-haul routes according to claim 1, characterized in that to ensure convergence in the algorithm for the floating solution of the necessary accuracy, static measurements of the SNA signals are carried out before takeoff and after landing the aircraft.
RU2008151988/09A 2008-12-29 2008-12-29 Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes RU2393430C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008151988/09A RU2393430C1 (en) 2008-12-29 2008-12-29 Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008151988/09A RU2393430C1 (en) 2008-12-29 2008-12-29 Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2393430C1 true RU2393430C1 (en) 2010-06-27

Family

ID=42683731

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008151988/09A RU2393430C1 (en) 2008-12-29 2008-12-29 Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2393430C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2713388C2 (en) * 2018-06-09 2020-02-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Ship tropospheric radio station
CN111473784A (en) * 2020-04-16 2020-07-31 南京航空航天大学 Unmanned aerial vehicle cluster collaborative navigation system and method based on distributed node information block
CN116662765A (en) * 2023-07-31 2023-08-29 北京理工大学 Multi-track association method based on target topology

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2713388C2 (en) * 2018-06-09 2020-02-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Ship tropospheric radio station
CN111473784A (en) * 2020-04-16 2020-07-31 南京航空航天大学 Unmanned aerial vehicle cluster collaborative navigation system and method based on distributed node information block
CN111473784B (en) * 2020-04-16 2023-06-20 南京航空航天大学 Unmanned aerial vehicle cluster collaborative navigation system and method based on distributed node information blocks
CN116662765A (en) * 2023-07-31 2023-08-29 北京理工大学 Multi-track association method based on target topology
CN116662765B (en) * 2023-07-31 2023-10-20 北京理工大学 Multi-track association method based on target topology

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Langley et al. Introduction to GNSS
RU2565386C2 (en) Method, apparatus and system for determining position of object, having global navigation satellite system receiver, by processing non-differential data, similar to carrier phase measurements, and external data similar to ionospheric data
He GNSS kinematic position and velocity determination for airborne gravimetry
Hernández-Pajares et al. Feasibility of wide-area subdecimeter navigation with GALILEO and modernized GPS
Tolman et al. Absolute precise kinematic positioning with GPS and GLONASS
RU2152625C1 (en) Method determining orientation of objects in space, range to them and bearing, position coordinates and components of velocity vector by navigation radio signals of spacecraft of space radio navigation systems
RU2393430C1 (en) Method for high-precision measurement of aircraft trajectory coordinates in flight investigations on long routes
RU2286584C2 (en) Method for independent instantaneous determination by users of co-ordinates of location, velocity vector components, angular orientation in space and phase of carrier phase of radio signals of ground radio beacons retransmitted by satellites
Walker et al. Global navigation satellite system
Yang et al. An innovative approach for atmospheric error mitigation using new GNSS signals
RU2402786C1 (en) Method of determining position of navigation information user objects and device for realising said method
Cheng Radar altimeter absolute calibration using GPS water level measurements
Stone et al. Carrier phase integer ambiguity resolution using dual frequency pseudolites
Rózsa1a et al. Establishment of a Local GNSS Correction Service for the Localization of Autonomous Vehicles
Zheng Generation of network-based differential corrections for regional GNSS services
Angrisano et al. Algorithms for GNSS Positioning in Difficult Scenario
Capua Peer PPP-RTK: toward an affordable real-time high accuracy service
Shareef et al. On The Densification Of Khartoum Geodetic Control Network
Toluc Multi-GNSS Precise Point Positioning Using GPS, GLONASS and Galileo
Yen Two-Satellite Positioning with a Stable Frequency Reference, Altimeters, and Bistatic Satellite Altimetry
Sauta et al. Satellite radio navigation systems
Eissfeller et al. Online GNSS Data Processing—Status and Future Developments
Rho Precise point positioning with wide area differential GPS corrections
Wang Integration of GPS, INS and pseudolite to geo-reference surveying and mapping systems
Simpson et al. Module C: Positioning Techniques

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20120827