RU2633093C1

RU2633093C1 - Method and system for improving accuracy of determining location of global navigation satellite system consumers by digital marking of road network sections

Info

Publication number: RU2633093C1
Application number: RU2016137091A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Куликов; Сергей Николаевич Котов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ситиликс"
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2017-10-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: methods are based on the fact that in a local area of space, consumers who determine their location along the working constellation of the navigation system will have the same errors associated with the movement of satellites and the propagation of radio signals. In other words, at each instant they will have approximately the same corrective amendments due to the inaccuracy of satellite orbits and the condition for the propagation of radio signals. Compensation of these amendments will increase the accuracy of determining the location of consumers, leaving only individual errors for each device, in particular, multipath in the propagation of radio signals and internal receiver noise.

EFFECT: increasing the accuracy of determining the coordinates of single-frequency navigation receivers built into user mobile devices and not having the technical capabilities to obtain and apply corrective amendments from various existing differential subsystems.

13 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение «Способ и система повышения точности определения местоположения пользователей глобальных спутниковых навигационных систем с использованием цифровой разметки участков улично-дорожной сети» относится к задаче определения местоположения объектов, и, в частности, к способам вычисления дифференциальных поправок, используемых для корректировки измеренных координат с целью повышения точности позиционирования.The invention “A method and system for improving the accuracy of determining the location of users of global satellite navigation systems using digital marking of sections of the road network” relates to the problem of determining the location of objects, and, in particular, to methods for calculating differential corrections used to correct the measured coordinates in order to increase positioning accuracy.

Уровень техникиState of the art

Современные технологии определения местоположения играют одну из важных ролей в развитии целого ряда отраслей народного хозяйства. Ключевое место в данном ряду по праву занимают глобальные спутниковые навигационные системы. В настоящее время в мире существуют или создаются несколько подобных систем. Полностью функционирующими являются системы GPS Navstar (США) и ГЛОНАСС (РФ). В процессе создания находятся системы Galileo (ЕС) и BeiDou (КНР).Modern location technologies play an important role in the development of a number of sectors of the national economy. A key place in this series is rightfully occupied by global satellite navigation systems. Currently, several similar systems exist or are being created in the world. GPS Navstar (USA) and GLONASS (RF) systems are fully functioning. The Galileo (EU) and BeiDou (China) systems are in the process of creation.

Спутниковые навигационные системы используются для решения множества задач - в авиационных и морских перевозках, для мониторинга зданий и строительных объектов, в сельском хозяйстве, при проведении геодезических работ и составлении карт. Отдельно следует упомянуть автомобильную навигацию. В настоящее время сложно представить автолюбителя, который хотя бы раз не использовал отдельное устройство, мобильный телефон или планшетный компьютер с установленной на них навигационной программой. Современные навигационные программы входят в категорию одних из самых популярных программ в существующих магазинах приложений (Google Play, AppStore, Windows Store). Навигационные технологии успешно применяются для контроля за автотранспортом, осуществляющим пассажирские и грузовые перевозки. Современные системы мониторинга и управления транспортом снижают затраты на перевозку людей и грузов, а также позволяют экономить топливо, оптимизировать логистику и уменьшить выбросы в атмосферу - все это дает значительный экономический эффект.Satellite navigation systems are used to solve many problems - in air and sea transportation, for monitoring buildings and construction objects, in agriculture, during geodetic work and mapping. Separately, car navigation should be mentioned. At present, it is difficult to imagine a car enthusiast who at least once has not used a separate device, mobile phone or tablet computer with a navigation program installed on them. Modern navigation programs are included in the category of one of the most popular programs in existing application stores (Google Play, AppStore, Windows Store). Navigation technologies are successfully used to control vehicles engaged in passenger and freight transportation. Modern monitoring and transport management systems reduce the cost of transporting people and goods, as well as save fuel, optimize logistics and reduce air emissions - all this gives a significant economic effect.

Зарубежные автомобильные корпорации встраивают оборудование для работы со спутниковыми навигационными системами в некоторые модели автомобилей в качестве штатного оборудования. Пока это лишь дорогие модели, но наблюдается тенденция к комплектации терминалами навигационных систем моделей среднего ценового диапазона. Можно не сомневаться, что рано или поздно оборудование для приема сигналов спутниковых навигационных систем станет обязательным компонентом любого автомобиля.Foreign automobile corporations embed equipment for working with satellite navigation systems in some car models as standard equipment. So far, these are only expensive models, but there is a tendency to equip middle-range models with terminals of navigation systems. There is no doubt that sooner or later the equipment for receiving signals from satellite navigation systems will become an indispensable component of any car.

В Российской Федерации разработана и внедрена государственная система экстренного реагирования при возникновении ДТП или других чрезвычайных ситуаций ЭРА-ГЛОНАСС, охватывающая все автомобильные дороги страны. С 1 января 2017 года транспортные средства категорий M1 и N1, выпускаемые в обращение на территории стран Таможенного союза, должны быть оборудованы бортовыми терминалами данной системы, то есть иметь возможность определять свое местоположение с использованием спутниковых навигационных систем.In the Russian Federation, a state emergency response system has been developed and implemented in the event of an accident or other emergency ERA-GLONASS, covering all the country's roads. From January 1, 2017, vehicles of categories M1 and N1, put into circulation in the territory of the countries of the Customs Union, must be equipped with on-board terminals of this system, that is, be able to determine their location using satellite navigation systems.

Помимо автомобильной навигации, технологии определения местоположения пользователей активно внедряются многими производителями программных систем в игровой индустрии, в социальных и геосервисах, а также широко используется в рекламных целях для таргетирования пользователей по их местоположению.In addition to car navigation, technologies for determining the location of users are actively implemented by many manufacturers of software systems in the gaming industry, in social and geo-services, and is also widely used for advertising purposes to target users by their location.

Навигационной задачей в спутниковой навигационной системе называется процедура нахождения пространственно-временных координат потребителя и составляющих вектора его скорости, которые в совокупности называются вектором потребителя. В общем случае, в результате решения навигационной задачи должны быть найдены пространственные координаты потребителя {х,у,z}, поправка Δt к шкале времени потребителя относительно шкалы времени спутниковой навигационной системы, а также составляющие вектора скорости {v_x, v_y, v_z} как производные координат потребителя по времени.The navigation task in the satellite navigation system is the procedure for finding the spatio-temporal coordinates of the consumer and the components of his velocity vector, which are collectively called the consumer vector. In the general case, as a result of solving the navigation problem, the consumer’s spatial coordinates {x, y, z}, the correction Δt to the consumer’s time scale relative to the time scale of the satellite navigation system, and also the velocity vector components {v _x , v _y , v _z } as derivatives of the consumer’s coordinates with respect to time.

Элементы вектора потребителя недоступны непосредственно измерению с помощью радиосредств. У принятого радиосигнала измеряются так называемые радионавигационные параметры - задержку при его распространении τ и доплеровское смещение частоты ƒ_доп. Соответствующие данным параметрам геометрические параметры (дальность до спутника D и радиальная скорость сближения V_p) называются навигационным. Функциональная связь между навигационными параметрами и вектором потребителя называется навигационной функцией. Конкретный вид данной функции определяется многими факторами: системой координат, характером движения потребителя и т.д.Consumer vector elements are not directly accessible to measurement by radio. The received radio signal measures the so-called radio navigation parameters - the delay in its propagation τ and the Doppler frequency offset ƒ _add . Corresponding to these parameters, geometric parameters (range to satellite D and radial approach speed V _p ) are called navigation. The functional relationship between the navigation parameters and the consumer vector is called the navigation function. The specific form of this function is determined by many factors: the coordinate system, the nature of the consumer’s movement, etc.

В современных спутниковых навигационных системах для нахождения координат потребителя применяется псевдодальномерный метод, суть которого заключается в вычислении «условных» расстояний от определяемой точки до спутников. Информация о движении спутников, которая передается в навигационном сообщении на устройство потребителя, формируется в геоцентрической подвижной системе координат. В этой же системе координат в устройстве рассчитываются координаты самого потребителя.In modern satellite navigation systems, the pseudo-range-finding method is used to find the coordinates of the consumer, the essence of which is to calculate the "conditional" distances from the determined point to the satellites. Information about the movement of satellites, which is transmitted in a navigation message to the consumer’s device, is generated in a geocentric mobile coordinate system. In the same coordinate system in the device, the coordinates of the consumer are calculated.

Однако, все решаемые навигационные задачи используют геодезические координаты, которые описывают расположение объектов относительно поверхности Земли. При этом, физическая модель Земли представляет собой эллипсоид с большой полуосью а, лежащей в экваториальной плоскости, и малой полуосью b. Геодезическая широта - это величина угла В между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора. Геодезическая долгота - величина угла L между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через объект. Положительное направление отсчета долгот - от начального меридиана к востоку. Геодезическая высота - расстояние Н по нормали от объекта до поверхности эллипсоида. Параметры эллипсоида а и b, а также начальный меридиан и другие параметры, задаются используемой системой геодезических параметров (например, ПЗ-90 или WGS-84).However, all navigational tasks to be solved use geodetic coordinates that describe the location of objects relative to the surface of the Earth. In this case, the physical model of the Earth is an ellipsoid with a major semiaxis a lying in the equatorial plane and a minor semiaxis b. Geodetic latitude is the value of the angle B between the normal to the surface of the ellipsoid and the plane of the equator. Geodetic longitude is the value of the angle L between the plane of the initial meridian and the plane of the meridian passing through the object. The positive direction of counting longitudes is from the initial meridian to the east. Geodetic height - the distance H along the normal from the object to the surface of the ellipsoid. The parameters of the ellipsoid a and b, as well as the initial meridian and other parameters, are set by the system of geodetic parameters used (for example, PZ-90 or WGS-84).

В реальных условиях на точность определения вектора потребителя влияет множество факторов. Применительно к псевдодальномерному методу источники возникновения погрешностей вычисления навигационных параметров можно разделить на следующие группы по их происхождению:In real conditions, many factors influence the accuracy of determining the consumer vector. In relation to the pseudo-rangefinder method, the sources of errors in the calculation of navigation parameters can be divided into the following groups according to their origin:

- вносимые контрольно-измерительным комплексом;- introduced by the control and measuring complex;

- вносимые оборудованием навигационного спутника;- introduced by navigation satellite equipment;

- возникающие на пути распространения радиосигнала;- arising on the propagation path of the radio signal;

- вносимые приемником потребителя.- introduced by the consumer receiver.

В число погрешностей контрольно-измерительного комплекса входят ошибки из-за ухода шкал времени спутников и эфемеридные погрешности. Эфемеридные погрешности обусловлены неточностью расчета местоположений навигационных спутников относительно их реальных орбит на момент излучения радиосигнала.Errors in the control and measuring complex include errors due to the departure of satellite time scales and ephemeris errors. Ephemeris errors are due to inaccuracy in the calculation of the locations of navigation satellites relative to their actual orbits at the time of the emission of the radio signal.

Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала, относятся к наименее предсказуемым и, в силу этого, могут значительно влиять на точность определения местоположения. Атмосфера Земли влияет на распространение радиоволн, причем это влияния не всегда поддается точному прогнозированию. На распространение радиоволн оказывает влияние тропосфера, расположенная у поверхности Земли до высоты 12-18 км, и ионосфера, представляющая собой слой атмосферы от 60 до 1000 км.Errors arising on the signal propagation path are among the least predictable and, due to this, can significantly affect the accuracy of positioning. The atmosphere of the Earth affects the propagation of radio waves, and this influence is not always amenable to accurate prediction. The propagation of radio waves is influenced by the troposphere, located at the surface of the Earth to an altitude of 12-18 km, and the ionosphere, which is a layer of the atmosphere from 60 to 1000 km.

Рефракция радиосигналов в тропосфере и ионосфере, обусловленная неоднородностями и изменением диэлектрической проницаемости с высотой, вносит дополнительные задержки распространения сигнала. При малых углах места тропосферная и ионосферная рефракции достигает максимума, так как радиоволны проходят при таких углах наибольший путь. В связи с этим, в навигационных приемниках принимают во внимание только те спутники, которые находятся выше так называемого угла маски, составляющего величину около 5-10 градусов.Refraction of radio signals in the troposphere and ionosphere, due to inhomogeneities and a change in the dielectric constant with height, introduces additional signal propagation delays. At low elevation angles, tropospheric and ionospheric refraction reaches a maximum, since radio waves travel at such angles for the longest path. In this regard, in the navigation receivers, only those satellites that are above the so-called mask angle, amounting to about 5-10 degrees, are taken into account.

Значение тропосферной рефракции зависит от факторов, влияние которых хорошо изучено и поддается прогнозированию (влажность воздуха, атмосферное давление, температура). В то же время, основная проблема при компенсации ионосферной задержки состоит в том, что ее значение очень широко меняется в зависимости от региона, в котором расположен потребитель, времени суток и года, солнечной и геомагнитной активности. Значения задержки лежат в диапазоне от 5 до 500 нс, при этом среднее значение составляет 5-10 нс ночью и 30-50 нс днем для углов места, близких к 90 градусов. С приближением к углу маски ионосферная задержка возрастает в 2-3 раза. Обычно ночным влиянием ионосферы пренебрегают. Известно, что ионосферные задержки наиболее сильны на низких широтах.The value of tropospheric refraction depends on factors whose influence has been well studied and can be predicted (air humidity, atmospheric pressure, temperature). At the same time, the main problem in compensating for the ionospheric delay is that its value varies very widely depending on the region in which the consumer is located, time of day and year, solar and geomagnetic activity. The delay values range from 5 to 500 ns, with an average of 5-10 ns at night and 30-50 ns during the day for elevation angles close to 90 degrees. With approaching the corner of the mask, the ionospheric delay increases by 2-3 times. Usually the nighttime influence of the ionosphere is neglected. It is known that ionospheric delays are most pronounced at low latitudes.

Существуют различные методы определения и учета ионосферной задержки на стороне потребителя, например, метод моделирования трассы, двухчастотные измерения и избыточные одночастотные измерения.There are various methods for determining and accounting for the ionospheric delay on the consumer side, for example, the path modeling method, two-frequency measurements and redundant single-frequency measurements.

Первый метод широко применяется в одночастотных приемниках. Однако, точность расчетов весьма ограничена - ионосферную погрешность удается уменьшить примерно наполовину при условии приемлемого объема вычислений. Расчет сложной параметрической модели в стационарных условиях позволяет снизить влияние ионосферной погрешности на 60-70 процентов.The first method is widely used in single-frequency receivers. However, the accuracy of the calculations is very limited - the ionospheric error can be reduced by about half, provided the acceptable amount of calculations. Calculation of a complex parametric model under stationary conditions allows reducing the influence of the ionospheric error by 60-70 percent.

Двухчастотный метод основан на эффекте рефракции сигналов в ионосфере. Эффект проявляется в том, что при распространении сигналов с разной несущей частотой вносится разная ионосферная задержка. Данный метод позволяет свести ионосферную погрешность к десяткам сантиметров, но усложняет аппаратуру потребителя и увеличивает составляющую погрешности, обусловленную радиошумами.The two-frequency method is based on the effect of refraction of signals in the ionosphere. The effect is manifested in the fact that during the propagation of signals with different carrier frequencies, a different ionospheric delay is introduced. This method allows to reduce the ionospheric error to tens of centimeters, but complicates the consumer equipment and increases the error component due to radio noise.

В соответствии с методом избыточных одночастотных измерений проводят измерения по нескольким (как правило, более 8) спутникам. Влияние ионосферы удается ощутимо снизить за счет усреднения пространственных характеристик ионосферы.In accordance with the method of redundant single-frequency measurements, measurements are made on several (usually more than 8) satellites. The influence of the ionosphere can be significantly reduced by averaging the spatial characteristics of the ionosphere.

К погрешностям, возникающим на пути распространения радиосигнала, можно отнести погрешности, возникающие по причине многолучевого распространения. В реальных условиях на вход приемника обычно поступает не только прямой сигнал со спутника, но и множество переотраженных сигналов от соседних зданий и земной поверхности. Причем, в некоторых случаях, уровень отраженного сигнала может оказаться сопоставимым с уровнем прямого.Errors arising on the propagation path of a radio signal include errors arising due to multipath propagation. In real conditions, the input of the receiver usually receives not only a direct signal from the satellite, but also a lot of reflected signals from neighboring buildings and the earth's surface. Moreover, in some cases, the level of the reflected signal may be comparable with the level of the direct.

Следующим, по порядку прохождения сигнала, источником дальномерных погрешностей является схема приемника. Основным источником погрешностей здесь выступают компоненты слежения за задержкой огибающей и несущей сигнала. Принято различать шумовые и динамические погрешности.The next, in the order of signal passage, source of rangefinding errors is the receiver circuit. The main source of errors here are the components of tracking the delay of the envelope and the carrier signal. It is customary to distinguish between noise and dynamic errors.

Кроме этого, на точность определения пространственно-временных координат потребителя оказывает влияние взаимное расположение спутников и потребителя. Существует так называемый параметр GDOP (Geometric Dilution of Precision) - геометрический фактор снижения точности, определяемый взаимным расположением спутников, используемых приемником при позиционировании. На практике вместо GDOP чаще используется PDOP (Position Dilution of Precision) - фактор снижения точности определения местоположения. Кроме PDOP, используются также факторы снижения точности определения горизонтальных (HDOP) и вертикальных (VDOP) координат.In addition, the relative position of the satellites and the consumer affects the accuracy of determining the spatio-temporal coordinates of the consumer. There is the so-called GDOP (Geometric Dilution of Precision) parameter - a geometric factor in reducing accuracy, determined by the relative position of the satellites used by the receiver during positioning. In practice, instead of GDOP, PDOP (Position Dilution of Precision) is often used - a factor in reducing the accuracy of positioning. In addition to PDOP, factors are also used to reduce the accuracy of determining horizontal (HDOP) and vertical (VDOP) coordinates.

При решении навигационной задачи возникает проблема выбора оптимального рабочего созвездия навигационной системы, при котором обеспечивается оптимальная точность измерений. Рабочим созвездием спутниковой навигационной системой называется совокупность спутников из числа видимых над объектом, значения псевдодальностей до которых использовались для определения текущего местоположения. Рабочее созвездие обеспечивает определение координат с наибольшей в текущий момент времени точностью в сравнении с другими возможными вариантами созвездий.When solving the navigation problem, the problem arises of choosing the optimal working constellation of the navigation system, which ensures optimal measurement accuracy. A working constellation of a satellite navigation system is a set of satellites from among those visible above the object, the pseudorange values of which were used to determine the current location. The working constellation provides the determination of coordinates with the greatest accuracy at the current time in comparison with other possible variants of the constellations.

Спутниковой навигационной системе присущи периоды неудачного расположения спутников, которые длятся от 5 до 30 минут. В такие периоды геометрический фактор сильно возрастает, а точность определения падает.The satellite navigation system is characterized by periods of poor satellite position, which last from 5 to 30 minutes. In such periods, the geometric factor increases greatly, and the accuracy of determination decreases.

Таким образом, стандартная точность определения координат, которые обеспечивают спутниковые навигационные системы, в лучшем случае составляет около 3-5 метров. Однако, в ряде случаев требуется более высокая точность определения местоположения. К таким случаям относятся геодезические и кадастровые измерения, составление карт, строительные работы, точная проводка судов в береговой зоне, навигация в городских условиях. Добиться существенного увеличения точности определения координат (до единиц и долей сантиметров) удается при помощи функционального дополнения к спутниковым навигационным системам, называемого дифференциальной подсистемой.Thus, the standard accuracy of determining the coordinates provided by satellite navigation systems, at best, is about 3-5 meters. However, in some cases, a higher accuracy of location determination is required. Such cases include geodetic and cadastral measurements, mapping, construction work, accurate pilotage of vessels in the coastal zone, navigation in urban environments. It is possible to achieve a significant increase in the accuracy of determining coordinates (to units and fractions of centimeters) with the help of a functional supplement to satellite navigation systems, called a differential subsystem.

Основу дифференциальной подсистемы составляют наземные контрольно-корректирующие станции (ККС), координаты которых известны и определены с большой точностью. Путем сравнения измеренных значений псевдодальностей до спутников с достоверными значениями, вычисленными на основе полученной от главной станции информации об орбитах спутников, вычисляются поправки к псевдодальностям. Полученные значения дифференциальных поправок передаются потребителям с помощью телефонной или радиосвязи, по системам спутниковой связи, а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах УКВ-радиостанций. При этом, потребитель должен иметь устройство, оснащенное модулем для приема и обработки данных от контрольно-корректирующей станции.The basis of the differential subsystem is ground control and correction stations (KKS), the coordinates of which are known and determined with great accuracy. By comparing the measured values of the pseudorange to the satellites with reliable values calculated on the basis of information about the satellite orbits received from the main station, corrections to the pseudorange are calculated. The obtained values of the differential corrections are transmitted to consumers using telephone or radio communications, via satellite communication systems, as well as using the technology of digital data transmission RDS (Radio Data System) at the frequencies of VHF radio stations. In this case, the consumer must have a device equipped with a module for receiving and processing data from the control and correction station.

Возможность применения дифференциальными подсистемами способа повышения точности координат обусловлена тем фактом, что ряд составляющих дальномерной погрешности в течении ограниченного интервала времени являются общими, то есть коррелированными, для потребителей, расположенных в достаточно обширных районах рабочей зоны - областях так называемой пространственно-временной корреляции погрешностей. Поэтому, определив эти данные в произвольной точке указанного района, можно использовать их в течение времени корреляции для коррекции измерений в других точках.The possibility that differential subsystems can use a method for improving the accuracy of coordinates is due to the fact that a number of components of the rangefinding error for a limited time interval are common, i.e. correlated, for consumers located in fairly wide areas of the working area - areas of the so-called spatio-temporal correlation of errors. Therefore, having determined this data at an arbitrary point in the specified region, it is possible to use them during the correlation time to correct measurements at other points.

Как правило, расстояние между потребителем и наземной ККС пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до спутников, находящихся на высоте около 20 тыс. километров. Поэтому, с большой долей приближения можно считать, что на расстояниях до 200-300 километров потребитель и ККС находятся в идентичном по всем параметрам навигационном поле. Следовательно, поправки, вычисленные для ККС, справедливы и для потребителя. Так, при расстоянии между ККС и потребителем, составляющем 100 километров, погрешность определения координат потребителя, вызванная непостоянством ошибок псевдодальности в пространстве, составляет единицы сантиметров, а при расстоянии до ККС порядка 1000 км - десятки сантиметров. На практике стараются располагать ККС не далее 500 километров от целевых потребителей.As a rule, the distance between the consumer and the ground SCS is negligible compared to the distance to satellites located at an altitude of about 20 thousand kilometers. Therefore, with a large share of approximation, we can assume that at distances up to 200-300 kilometers the consumer and the space station are in the navigation field, identical in all respects. Therefore, the corrections calculated for KKS are also valid for the consumer. So, with a distance between the KKS and the consumer of 100 kilometers, the error in determining the coordinates of the consumer caused by the inconsistency of pseudorange errors in space is units of centimeters, and with a distance to the KKS of about 1000 km, tens of centimeters. In practice, they try to position the KKS no further than 500 kilometers from the target consumers.

При реализации дифференциального режима используют следующие методы формирования поправок:When implementing the differential mode, the following methods of forming corrections are used:

1. Метод, при котором поправки на ККС формируются только для рабочего созвездия навигационной системы, используемого в определяемом пункте. Это является существенным недостатком метода, так как такие поправки можно использовать только для потребителей, которые используют то же самое рабочее созвездие.1. The method in which corrections for the KKS are formed only for the working constellation of the navigation system used in the designated paragraph. This is a significant drawback of the method, since such corrections can only be used for consumers who use the same working constellation.

2. Метод, при котором на ККС определяются поправки для всех спутников, которые потенциально могут быть использованы потребителями. Недостатком этого метода является существенное усложнение аппаратуры потребителей, вызванное необходимостью выполнения дополнительных вычислений.2. The method by which corrections are determined on the CCS for all satellites that could potentially be used by consumers. The disadvantage of this method is a significant complication of consumer equipment, caused by the need to perform additional calculations.

При реализации дифференциального режима используются методы кодовых и псевдофазовых измерений. Кодовые системы строятся на основе измерения и обработки псевдодальностей; они имеют в общем случае неограниченную область действия и характеризуются ошибками определения координат от долей до нескольких метров. Псевдофазовые системы характеризуются высокой точностью определения относительных координат (до долей сантиметра), однако область их действия ограничивается дальностью 10-12 километров в одночастотном режиме и около 100 километров в двухчастотном.When implementing the differential mode, methods of code and pseudophase measurements are used. Code systems are built on the basis of measuring and processing pseudorange; they generally have an unlimited scope and are characterized by errors in determining coordinates from fractions to several meters. Pseudophase systems are characterized by high accuracy in determining the relative coordinates (up to fractions of a centimeter), however, their area of effect is limited to a range of 10-12 kilometers in single-frequency mode and about 100 kilometers in dual-frequency mode.

Кодовые системы дифференциальной коррекции делятся на локальные (Local Area Differential), широкодиапазонные (Wide Area Differential) и глобальные (Global Differential).Differential correction code systems are divided into local (Local Area Differential), wide-range (Wide Area Differential) and global (Global Differential).

Большинство систем дифференциальной коррекции являются локальными. Они используют одну базовую станцию, которая располагается в центре локальной зоны размером около 200 километров. При этом, в центре зоны обеспечивается точность определения порядка 0.5-1 м. При удалении от центра зоны точность постепенно ухудшается и на периферии она сопоставима с точностью измерений без использования поправок. Дифференциальные поправки в локальных системах могут формироваться путем коррекции координат или навигационных параметров. Наибольшее распространение получил второй метод, при котором базовая станция формирует поправки к измерениям псевдодальностей для каждого из видимых ею спутников. При этом, приемник корректирует свои измерения псевдодальностей по тем же спутникам. Для передачи поправок, сформированных в соответствии с методом коррекции навигационного параметра, используется специальный стандарт RTCM SC-104, учитывающий особенности навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.Most differential correction systems are local. They use one base station, which is located in the center of a local area of about 200 kilometers. Moreover, the accuracy of determination of the order of 0.5-1 m is ensured in the center of the zone. When moving away from the center of the zone, the accuracy gradually deteriorates and at the periphery it is comparable to the accuracy of measurements without the use of corrections. Differential corrections in local systems can be formed by correcting coordinates or navigation parameters. The second method, in which the base station generates corrections to pseudorange measurements for each of the satellites it sees, is most widely used. At the same time, the receiver corrects its pseudorange measurements on the same satellites. To transmit corrections generated in accordance with the navigation parameter correction method, the special RTCM SC-104 standard is used, taking into account the features of GPS and GLONASS navigation systems.

В широкодиапазонных системах дифференциальной коррекции используется сеть станций сбора данных и метод формирования дифференциальных поправок, при котором на станциях сбора информации осуществляется обработка с целью оперативного уточнения параметров моделей движения навигационных спутников, смещения их шкал времени и составления карт вертикальных ионосферных задержек. Все эти данные оперативно передаются на устройства потребителей, где они используются для уточнения навигационных параметров. Широкодиапазонные системы обеспечивают точность определения местоположения со среднеквадратической ошибкой около полметра в области, охватываемой сетью станций сбора информации и смежных с ней областях. Данные типы систем широко применяются в настоящее время. В частности, на территории Европейского Союза развернута система EGNOS, а в США - система WAAS.In wide-range differential correction systems, a network of data collection stations and a method of generating differential corrections are used, in which data processing stations are processed to quickly refine the parameters of the navigation satellite motion models, shift their time scales and compile vertical ionospheric delay maps. All these data are quickly transferred to consumer devices, where they are used to refine navigation parameters. Wide-range systems provide location accuracy with a standard error of about half a meter in the area covered by the network of data collection stations and related areas. These types of systems are widely used at present. In particular, the EGNOS system has been deployed in the territory of the European Union, and the WAAS system in the USA.

Глобальные системы дифференциальной коррекции по своей структуре схожи с широкодиапазонными системами. Они также используют наземную сеть станций для сбора данных, тот же метод формирования и передачи сообщений с дифференциальными поправками. Основное отличие заключается в том, что исключение ионосферных ошибок в глобальной системе осуществляется путем использования двухчастотных измерений.Global differential correction systems are similar in structure to wide-range systems. They also use a ground network of stations to collect data, the same method of generating and transmitting messages with differential corrections. The main difference is that the elimination of ionospheric errors in the global system is carried out using two-frequency measurements.

В настоящее время существует ряд патентов, описывающих близкие по решаемым задачам и способам технической реализации изобретения.Currently, there are a number of patents that describe similar problems and methods for the technical implementation of the invention.

Например, в патенте RU 2386980 описан способ кинематического определения местоположения потребителей глобальных спутниковых навигационных систем в реальном времени со стационарным или подвижным опорным приемником. Коррекция погрешностей производится путем вычисления поправок к псевдодальностям на приемнике опорной станции и получения вектора относительного положения между приемником потребителя и приемником опорной станции.For example, in patent RU 2386980 a method for kinematically determining the location of consumers of global satellite navigation systems in real time with a fixed or mobile reference receiver is described. Errors are corrected by calculating corrections to the pseudorange at the receiver of the reference station and obtaining a vector of the relative position between the consumer receiver and the receiver of the reference station.

В патенте RU 2592077 представлен способ измерения взаимного положения объектов по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, в которых осуществляется измерение псевдодальностей до спутников по фазе несущих колебаний. При этом, точное определение взаимного положения объектов производится по разностям псевдофазовых измерений, получаемых в разнесенных на местности навигационных приемниках.The patent RU 2592077 presents a method for measuring the relative position of objects using signals from global navigation satellite systems in which the pseudorange to satellites is measured by the phase of the carrier oscillations. At the same time, the exact mutual position of the objects is determined by the differences of the pseudophase measurements obtained in the separated navigation receivers.

В изобретении, описанном в патенте RU 2582595, для повышения точности и надежности определения местоположения подвижных объектов в режиме реального времени используется сгенерированная виртуальная базовая станция, расположенная на расстоянии 4 километра 300 метров от соответствующего подвижного объекта. Кроме этого, для минимизации погрешностей, возникающих при распространении сигнала, вводятся региональные модели ионосферы и тропосферы, вычисляемые в режиме реального времени. Как виртуальные базовые станции, так и модели ионосферы и тропосферы генерируются сетевым программным обеспечением на основе данных наземной инфраструктуры ГЛОНАСС.In the invention described in patent RU 2582595, in order to increase the accuracy and reliability of determining the location of moving objects in real time, a generated virtual base station located at a distance of 4 kilometers 300 meters from the corresponding moving object is used. In addition, in order to minimize errors arising from signal propagation, regional models of the ionosphere and troposphere are computed in real time. Both virtual base stations and models of the ionosphere and troposphere are generated by network software based on data from the ground-based GLONASS infrastructure.

Патент RU 2444705 описывает изобретение, в котором в качестве опорных станций в системе определения местоположения подвижных объектов в режиме реального времени выступают базовые станции сотовой связи. При этом, уточнение местоположения осуществляется путем триангуляции от не менее трех базовых станций.Patent RU 2444705 describes an invention in which cellular base stations are used as reference stations in the real-time positioning system of mobile objects. At the same time, the refinement of the location is carried out by triangulation from at least three base stations.

Патент RU 2363012 описывает способ повышения точности позиционирования в реальном времени, в котором помимо стационарной опорной станции применяются псевдолиты, использующие фазу несущей и заменяющие реальные спутники навигационной системы.Patent RU 2363012 describes a method for improving real-time positioning accuracy, in which, in addition to the stationary reference station, pseudolites are used that use the carrier phase and replace the real satellites of the navigation system.

Следует отметить, что подавляющее большинство описанных в данных патентах изобретений, направленных на повышение точности определения местоположения потребителей, предполагают использование различных дополнительных объектов наземной инфраструктуры для получения и передачи дифференциальных поправок. Использование подобного дорогостоящего оборудования существенно ограничивает область использования дифференциальных подсистем профессиональным применением. Многочисленные пользовательские устройства (смартфоны, планшетные компьютеры) в силу ряда причин, таких как ограничение по региону действия, необходимость значительного усложнения аппаратуры и существенная абонентская плата за доступ, не имеют возможности получения и применения дифференциальных поправок для коррекции координат.It should be noted that the vast majority of inventions described in these patents aimed at improving the accuracy of determining the location of consumers suggest the use of various additional ground-based infrastructure facilities for receiving and transmitting differential corrections. The use of such expensive equipment significantly limits the use of differential subsystems for professional use. Numerous user devices (smartphones, tablet computers), for a number of reasons, such as restrictions on the region of operation, the need for significant complication of equipment and a significant subscription fee for access, do not have the ability to receive and apply differential corrections for coordinate correction.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Данное изобретение призвано повысить точность определения местоположения потребителей глобальных спутниковых навигационных систем, находящихся в единой пространственно-временной области. При этом, ключевая особенность данного изобретения заключается в допущении, что в распоряжении потребителей находятся лишь бытовые навигационные устройства. Как правило, такие устройства содержат одночастотные приемники, принимающие сигналы стандартной точности и не имеющие функциональных возможностей для доступа к каким-либо дифференциальным подсистемам. К подобным бытовым устройствам относятся мобильные телефоны (смартфоны), планшетные компьютеры, автомобильные навигаторы, а также бортовые компьютеры, встроенные в автотранспортные средства.This invention is intended to improve the accuracy of determining the location of consumers of global satellite navigation systems located in a single space-time domain. Moreover, a key feature of this invention is the assumption that only household navigation devices are at the disposal of consumers. Typically, such devices contain single-frequency receivers that receive signals of standard accuracy and do not have the functionality to access any differential subsystems. Such household devices include mobile phones (smartphones), tablet computers, car navigators, as well as on-board computers built into motor vehicles.

Единая пространственно-временная область подразумевает, что все потребители в некотором интервале времени (условие соблюдения временной локальности) расположены недалеко друг относительно друга (условие соблюдения пространственной локальности), при этом погрешности определения навигационных параметров для этих потребителей достаточно сильно скоррелированы. Текущие размеры области определяются многими факторами, такими как движение спутников по орбитам и их взаимное расположение, а также текущее влияние ионосферы и тропосферы на распространение радиосигналов. При этом, потребители спутниковой навигационной системы, находящиеся в одной пространственно-временной области, для определения своего местоположения используют одно из рабочих созвездий, состоящих из видимых в данной области спутников, а влияние ионосферы и тропосферы на точность определения координат объектов примерно одинаковое.A single spatio-temporal region implies that all consumers in a certain time interval (condition for observing temporal locality) are located close to each other (condition for observing spatial locality), while the errors in determining navigation parameters for these consumers are quite strongly correlated. The current size of the region is determined by many factors, such as the movement of satellites in orbits and their relative positions, as well as the current influence of the ionosphere and troposphere on the propagation of radio signals. At the same time, consumers of the satellite navigation system located in the same space-time region use one of the working constellations consisting of satellites visible in this area to determine their location, and the influence of the ionosphere and troposphere on the accuracy of determining the coordinates of objects is approximately the same.

Следует отметить, что не существует четко выраженных границ между пространственно-временными областями - потребитель одновременно может находиться в нескольких областях, отличающихся своими размерами как в пространственном масштабе, так и во временном.It should be noted that there are no clearly defined boundaries between the spatio-temporal regions - the consumer can simultaneously be located in several regions that differ in their sizes both in the spatial scale and in the temporal one.

Решение поставленной задачи достигается тем, что осуществляется сбор, централизованное хранение и анализ данных о местоположении большого количества подвижных объектов в рамках некоторой пространственно-временной области и вычисление общих поправок к наблюдаемым координатам данных объектов. К таким подвижным объектам логично, в первую очередь, отнести автотранспортные средства, в которых установлены навигационные программы, передающие свои координаты на серверы для обработки и анализа через коммуникационную сеть, в частности, сеть Интернет.The solution to this problem is achieved by collecting, centralized storage and analysis of data on the location of a large number of moving objects within a certain space-time region and calculating the general corrections to the observed coordinates of these objects. It is logical, first of all, to attribute such mobile objects to vehicles in which navigation programs are installed that transmit their coordinates to servers for processing and analysis through a communication network, in particular, the Internet.

Предлагаемый в данном изобретении способ, равно как и способы в перечисленных выше изобретениях, основан на том факте, что в локальной области пространства потребители, определяющие свое местоположение по рабочему созвездию навигационной системы, будут иметь одинаковые погрешности, связанные с движением спутников и распространением радиосигналов. Другими словами, в каждый момент времени они будут иметь приблизительно одинаковые коррекционные поправки, обусловленные неточностью орбит спутников и условием распространение радиосигналов. Компенсация этих поправок позволит повысить точность определения местоположения потребителей, оставив лишь индивидуальные для каждого устройства погрешности, в частности, многолучевость при распространении радиосигналов и внутренние шумы приемника.The method proposed in this invention, as well as the methods in the above inventions, is based on the fact that in the local area of space, consumers determining their location by the working constellation of the navigation system will have the same errors associated with the movement of satellites and the propagation of radio signals. In other words, at each moment of time they will have approximately the same correction corrections due to inaccurate satellite orbits and the condition for the propagation of radio signals. Compensation of these amendments will improve the accuracy of determining the location of consumers, leaving only individual errors for each device, in particular, multipath in the propagation of radio signals and the internal noise of the receiver.

Для вычисления общих поправок предлагается использование цифровой разметки участков улично-дорожной сети, с помощью которой можно локализовать реальное положение подвижных объектов в некоторой пространственной области. Рассмотрим предлагаемую идею более подробно.To calculate the general corrections, it is proposed to use digital marking of sections of the road network, with which you can localize the real position of moving objects in a certain spatial area. Consider the proposed idea in more detail.

Пешеход с навигационным устройством может оказаться практически в любом месте некоторого участка земной поверхности. В отличие от пешехода, реальное расположение движущегося автотранспортного средства ограничено относительно небольшой областью пространства - проезжими частями, суммарная площадь которых в крупных городах не превышает 1-5% от общей территории. Двигающийся со скоростью более 20-30 километров в час автомобиль не может неожиданно оказаться вне проезжей части (на тротуаре, газоне или в открытом поле и т.д.) и продолжать там свое движение. На дороге с разделительным ограждением вероятность выезда на встречную полосу ничтожна мала. В свою очередь, область реального нахождения вагона трамвая или железнодорожного локомотива еще более ограничена в силу возможности движения только по рельсам.A pedestrian with a navigation device can be almost anywhere in a certain part of the earth's surface. Unlike a pedestrian, the actual location of a moving vehicle is limited to a relatively small area of space - roadways, the total area of which in large cities does not exceed 1-5% of the total territory. A car moving at a speed of more than 20-30 kilometers per hour cannot suddenly find itself outside the roadway (on the sidewalk, lawn or in an open field, etc.) and continue its movement there. On a road with a dividing fence, the probability of leaving the oncoming lane is negligible. In turn, the area of the actual location of the tram car or railway locomotive is even more limited due to the possibility of movement only on rails.

При рассмотрении такой модели необходимо исходить из принципа законопослушности водителей - априори считаем, что подавляющее большинство автомобилистов передвигается с соблюдением правил дорожного движения и, прежде всего, не выезжает на встречные полосы, обочины и тротуары. Наблюдения от небольшого процента нарушителей, при этом, суммарно будут оказывать лишь незначительное влияние, сопоставимое со статистической погрешностью.When considering such a model, it is necessary to proceed from the principle of law-abiding drivers - a priori we believe that the vast majority of motorists move in compliance with traffic rules and, first of all, do not go into oncoming lanes, curbs and sidewalks. Observations from a small percentage of violators, at the same time, in total will have only a slight effect, comparable with the statistical error.

Современные города содержат достаточно большое количество различных элементов инфраструктуры улично-дорожной сети, информацию о наличии которых в цифровом виде можно использовать для вычисления вектора поправок при определении реального местоположения. К таким элементам, в частности, можно отнести:Modern cities contain a fairly large number of various elements of the infrastructure of the road network, information on the availability of which can be used in digital form to calculate the vector of corrections in determining the real location. Such elements, in particular, include:

- бордюры, отделяющие проезжую часть дороги от тротуаров или газонов;- borders separating the carriageway from sidewalks or lawns;

- разделительные ограждения, отделяющие встречные полосы на многополосных дорогах;- dividing fences separating oncoming lanes on multi-lane roads;

- мосты, эстакады и путепроводы;- bridges, flyovers and overpasses;

- трамвайные и железнодорожные пути.- tram and railway tracks.

Зафиксированные с использованием спутниковых навигационных систем координаты автотранспортных средств вне «разрешенных» областей, то есть противоречащие существующим элементам дорожной инфраструктуры, являются хорошим информационным сигналом при вычислении вектора дифференциальных поправок, корректирующих эти измерения в сторону реального расположения объектов.The coordinates of vehicles recorded using satellite navigation systems outside the "permitted" areas, that is, contradicting the existing elements of the road infrastructure, are a good information signal when calculating the vector of differential corrections that correct these measurements in the direction of the real location of objects.

Для дальнейшего описания изобретения введем понятие вероятностного поля дифференциальных поправок. Вероятностное поле дифференциальных поправок представляет собой абстрактную двухмерную или трехмерную область пространства, описывающую распределение плотности вероятности всех потенциально возможных корректировок относительно зафиксированного местоположения потребителя спутниковой навигационной системы. В центре поля поправок всегда находится наблюдаемое измерение, зафиксированное навигационным устройством потребителя. Размер области зависит от точности определения координат. Вектор дифференциальных поправок - это значения смещений координат относительно центра вероятностного поля поправок, применение которых приводит к коррекции наблюдаемого местоположения потребителя. Очевидно, что не все векторы дифференциальных поправок равновероятны. Вероятность того или иного вектора поправок определяется минимум двумя факторами:To further describe the invention, we introduce the concept of a probabilistic field of differential corrections. The probabilistic field of differential corrections is an abstract two-dimensional or three-dimensional region of space that describes the probability density distribution of all potential corrections with respect to the fixed location of the consumer of the satellite navigation system. In the center of the correction field is always the observed measurement recorded by the consumer’s navigation device. The size of the area depends on the accuracy of determining the coordinates. The vector of differential corrections is the values of the coordinate offsets relative to the center of the probabilistic field of corrections, the application of which leads to the correction of the observed location of the consumer. Obviously, not all differential correction vectors are equally probable. The probability of a correction vector is determined by at least two factors:

- длиной вектора дифференциальных поправок (с учетом нормального распределения ошибок измерения можно считать, что чем ближе поправка к зафиксированному местоположению, тем ее вероятность выше);- the length of the vector of differential corrections (taking into account the normal distribution of measurement errors, we can assume that the closer the correction to a fixed location, the higher its probability);

- непротиворечивостью скорректированного значения потребителя, полученного путем применения поправки, цифровой разметке на данном участке улично-дорожной сети (в частности, если поправка корректирует положение движущегося автотранспортного средства таким образом, что новое положение оказывается за пределами проезжей части, очевидно, вероятность такой поправки близка к нулю).- the consistency of the adjusted consumer value obtained by applying the amendment to the digital marking on a given section of the road network (in particular, if the amendment adjusts the position of a moving motor vehicle in such a way that the new position is outside the roadway, the probability of such an amendment is close to zero).

Очевидно, что наиболее оптимальный вектор поправок должен приводить измерения координат максимально близко к реальному местоположению потребителя.Obviously, the most optimal vector of corrections should result in coordinate measurements as close as possible to the real location of the consumer.

Для удобства нахождения оптимального вектора поправок вероятностное поле поправок разбивается на двухмерные или трехмерные непересекающиеся ячейки. Другими словами, в поле поправок генерируется регулярная или нерегулярная сетка. Размер ячеек сетки выбирается исходя из соблюдения двух компромиссных требований - точности вычисления оптимального вектора дифференциальной поправки и вычислительной сложности процедуры поиска. Использование большого количества ячеек в вероятностном поле поправок приводит к необходимости проведения пропорционального количества вычислений. С учетом необходимости обработки полей поправок для большого количества наблюдений, которое может достигать сотен тысяч и миллионов, это может потребовать существенных затрат времени и других вычислительных ресурсов.For the convenience of finding the optimal correction vector, the probabilistic field of corrections is divided into two-dimensional or three-dimensional disjoint cells. In other words, a regular or irregular grid is generated in the corrections field. The mesh size is selected based on two compromise requirements - the accuracy of calculating the optimal vector of differential correction and the computational complexity of the search procedure. The use of a large number of cells in the probability field of corrections leads to the need for a proportional number of calculations. Given the need to process correction fields for a large number of observations, which can reach hundreds of thousands and millions, this can require significant time and other computational resources.

Ячейки вероятностного поля поправок могут иметь различную форму, например, прямоугольные или шестиугольные. Считается, что поправки, попадающие в одну ячейку, не различимы между собой, в связи с чем в качестве вектора дифференциальной поправки, соответствующего той или иной ячейке, выбирается вектор, указывающий на ее центр. По сути, каждая ячейка сетки характеризуется своим значением плотности вероятности вектора дифференциальной поправки, а наибольшее значение плотности вероятности указывает на ячейку, соответствующую наиболее оптимальному вектору.The cells of the probability field of corrections can have various shapes, for example, rectangular or hexagonal. It is believed that corrections falling into one cell are not distinguishable among themselves, and therefore a vector pointing to its center is selected as a vector of differential correction corresponding to a particular cell. In fact, each grid cell is characterized by its value of the probability density of the differential correction vector, and the highest value of the probability density indicates a cell corresponding to the most optimal vector.

При рассмотрении агрегированного вероятностного поля поправок от множества потребителей удобнее оперировать нормированными весами ячеек. Вес ячейки прямо пропорционален значению плотности вероятности вектора поправок, а сумма весов всех ячеек вероятностного поля поправок равна единице.When considering the aggregate probabilistic field of corrections from many consumers, it is more convenient to operate with normalized cell weights. The cell weight is directly proportional to the value of the probability density of the correction vector, and the sum of the weights of all cells of the probability field of corrections is equal to unity.

Продолжим рассмотрение сущности данного изобретения на простом примере. Предположим, что по двум пересекающимся улицам двигаются три автотранспортных средства - легковой автомобиль, автобус и трамвай (см. фиг. 1). Данные транспортные средства расположены на относительно близком друг от друга расстоянии, то есть находятся в единой пространственно-временной области, где погрешности вычисления псевдодальностей до навигационных спутников достаточно сильно скоррелированы. В момент времени t_A навигационное устройство легкового автомобиля зафиксировало его местоположение, находящееся чуть в стороне от его реального расположения. Координаты автомобиля зафиксированы с некоторой погрешностью, которая описывается величиной среднеквадратического отклонения. Область вероятного расположения легкового автомобиля показана в виде окружности (закрашенная область А) некоторого радиуса, пропорционального ошибки позиционирования. Чем выше точность определения местоположения, то есть меньше среднеквадратическое отклонение, тем данная область меньше. Предположим, что радиус данной области составляют величину З⋅σ, где σ - среднеквадратическое отклонение текущего измерения координат, что соответствует приблизительно 98% вероятности попадания реального местоположения автомобиля в данную область.We continue to consider the essence of the present invention with a simple example. Suppose that three vehicles move along two intersecting streets - a passenger car, a bus and a tram (see Fig. 1). These vehicles are located at a relatively close distance from each other, that is, they are in a single space-time region, where the errors in calculating the pseudorange to navigation satellites are quite strongly correlated. At time t _{A, the} navigation device of the car recorded its location, which is slightly away from its real location. The coordinates of the car are fixed with some error, which is described by the value of the standard deviation. The area of the likely location of the car is shown as a circle (filled area A) of a certain radius, proportional to the positioning error. The higher the accuracy of the location, that is, the smaller the standard deviation, the smaller the area. Suppose that the radius of this region is 3⋅σ, where σ is the standard deviation of the current coordinate measurement, which corresponds to approximately 98% of the probability that the real location of the vehicle will fall into this region.

В момент времени t_B, достаточно близкое относительно t_A (условие соблюдения временной локальности), навигационное устройство автобуса на соседней улице (условие соблюдения пространственной локальности) зафиксировало его местоположение, также находящееся чуть в стороне относительно реального расположения. Область вероятного расположения автобуса показана в виде другой окружности некоторого радиуса (закрашенная область В). Очевидно, в общем случае радиусы окружностей, соответствующих различным автотранспортным средствам будут отличаться. Однако, для упрощения описания области вероятного расположения автотранспортных средств показаны на рисунке одинаковыми.At time t _B , which is close enough to t _A (condition for observing temporal locality), the navigation device of the bus on a neighboring street (condition for observing spatial locality) recorded its location, which is also a little away from the actual location. The area of the likely location of the bus is shown as another circle of a certain radius (filled region B). Obviously, in the general case, the radii of circles corresponding to different vehicles will differ. However, to simplify the description of the area of the likely location of vehicles shown in the figure are the same.

Как было сказано выше, реальное расположение автотранспортных средств относительно полученных измерений определяется двумя факторами:As mentioned above, the actual location of vehicles relative to the measurements obtained is determined by two factors:

- удаленностью от центра поля поправок, то есть измеренного местоположения;- the distance from the center of the correction field, that is, the measured location;

- наличием и конфигурацией элементов улично-дорожной сети в пространственной области, соответствующей текущему вероятностному полю поправок.- the presence and configuration of elements of the road network in the spatial domain corresponding to the current probabilistic field of corrections.

В дополнение к реальному расположению автотранспортных средств, рассмотрим три позиции в областях, в которых могут реально располагаться легковой автомобиль и автобус. Позиции №1, №2 и №3 соответствуют некоторым случайно выбранным ячейкам вероятностного поля поправок. Реальное количество таких ячеек существенно больше. При вычислении оптимального вектора поправок должны учитываться все ячейки, покрывающие целиком вероятностное поле поправок. Однако, для пояснения сути изобретения другие ячейки далее не рассматриваются.In addition to the actual location of vehicles, we consider three positions in areas in which a passenger car and a bus can actually be located. Positions No. 1, No. 2 and No. 3 correspond to some randomly selected cells of the probability field of corrections. The actual number of such cells is much larger. When calculating the optimal vector of corrections, all cells covering the entire probabilistic field of corrections should be taken into account. However, to illustrate the essence of the invention, other cells are not further discussed.

В случае с легковым автомобилем наиболее близкая из рассматриваемых к центру поля поправок ячейка №2 имеет минимальную вероятность для выбора в качестве оптимального вектора поправки, так как расположена достаточно далеко от проезжей части (например, на обочине или тротуаре). Вероятность реального нахождения автомобиля в данной позиции минимальна. Наиболее вероятно, что автомобиль, тем более двигающийся с большой скоростью, будет расположен в позициях, соответствующих ячейкам №1 или №3. Данные позиции находятся приблизительно на одном расстоянии от зафиксированных координат, однако, позиция №3 чуть более вероятна, так как находится ближе к центру полосы, чем позиция, соответствующая ячейке №1, находящаяся между полос движения. Итак, очевидно, что не все позиции, задающие потенциальные векторы поправок, в рассматриваемой области равновероятны.In the case of a passenger car, the closest cell to the corrections considered to the center of the field of field No. 2 has a minimum probability of choosing the correction vector as the optimal vector, since it is located far enough from the roadway (for example, on the side of the road or on the sidewalk). The probability of a real vehicle being in this position is minimal. It is most likely that the car, especially moving at high speed, will be located in positions corresponding to cells No. 1 or No. 3. These positions are approximately the same distance from the fixed coordinates, however, position No. 3 is slightly more likely, as it is closer to the center of the lane than the position corresponding to cell No. 1 located between the lanes. So, it is obvious that not all positions defining potential correction vectors are equally probable in the considered region.

Теперь рассмотрим позиции, в которых может реально располагаться автобус, двигающийся по соседней улице. Позиции №1, №2 и №3 выбраны аналогичным позициям из области А, относящейся к легковому автомобилю. Из рисунка видно, что ячейка, соответствующая позиции №2, также не может указывать на реальную позицию автобуса, так как расположена вне проезжей части. Это усиливает уверенность в том, что данная позиция в вероятностном поле поправок не может выступать в качестве корректирующего значения для всех объектов из данной пространственно-временной области. Позиция №1 также расположена вне проезжей части, а позиция №3 - на встречной полосе. Все это свидетельствует в пользу того, что та позиция, где на рисунке обозначен автобус, является наиболее вероятным его реальным расположением.Now consider the positions in which a bus moving along a neighboring street can actually be located. Positions No. 1, No. 2 and No. 3 are selected to similar positions from region A relating to a passenger car. It can be seen from the figure that the cell corresponding to position No. 2 cannot also indicate the real position of the bus, since it is located outside the roadway. This reinforces the belief that a given position in the probability field of corrections cannot act as a correction value for all objects from a given spatio-temporal region. Position No. 1 is also located outside the carriageway, and position No. 3 is located in the oncoming lane. All this testifies in favor of the fact that the position where the bus is indicated in the figure is its most likely real location.

Дальнейший анализ наблюдений, полученных от навигационного устройства трамвая (область С), дает существенно больше информации относительно выбора оптимального вектора дифференциальных поправок. Это обусловлено тем, что реальное расположение данных транспортных средств физически ограничено пределами рельс. Позиции №1 и №2 находятся вне реальной траектории движения трамвая, поэтому вероятности векторов поправок, соответствующие данным позициям, равны нулю.Further analysis of the observations received from the navigation device of the tram (region C) gives significantly more information regarding the choice of the optimal vector of differential corrections. This is due to the fact that the actual location of these vehicles is physically limited by the limits of the rail. Positions No. 1 and No. 2 are outside the real trajectory of the tram, therefore, the probabilities of the correction vectors corresponding to these positions are equal to zero.

Продолжая подобный анализ вероятностных полей поправок для всех доступных автотранспортных средств, находящихся в той же пространственно-временной области и использующих для определения местоположения общее рабочее созвездие навигационной системы, можно выделить наиболее вероятный вектор поправок к зафиксированным координатам объектов. Ячейка, соответствующая данному вектору дифференциальных поправок, будет иметь наибольший вес относительно других ячеек. По сути, найденный таким образом вектор поправок будет максимально правдоподобно описывать реально возможные положения рассматриваемых автотранспортных средств с учетом наблюдаемых, то есть зафиксированных навигационными системами, измерений их местоположений. Данную оптимизационную задачу можно с успехом решить, используя для этого алгоритмы машинного обучения. Найденный в результате вычислений вектор дифференциальных поправок необходимо применить ко всем зафиксированным координатам потребителей, чтобы уточнить их реальное местоположение. Следует заметить, что применение данной поправки не ограничивается автотранспортными средствами, с которых были получены данные для анализа. Коррекция местоположения может применяться для других объектов, например, для пешеходов, имеющих в своем распоряжении бытовые навигационные устройства. В этом случае, необходимо лишь соблюдение условия нахождения всех потребителей в единой пространственно-временной области и использование общего рабочего созвездия навигационной системы.Continuing this analysis of the probability fields of corrections for all available vehicles located in the same space-time domain and using the common working constellation of the navigation system to determine the location, we can single out the most probable vector of corrections to the fixed coordinates of the objects. The cell corresponding to this vector of differential corrections will have the greatest weight relative to other cells. In fact, the vector of corrections found in this way will most plausibly describe the realistically possible positions of the vehicles in question, taking into account the observed, that is, recorded by the navigation systems, measurements of their locations. This optimization problem can be successfully solved using machine learning algorithms. The vector of differential corrections found as a result of the calculations must be applied to all the fixed coordinates of consumers in order to clarify their actual location. It should be noted that the application of this amendment is not limited to vehicles from which data for analysis were obtained. Location correction can be applied to other objects, for example, for pedestrians who have at their disposal household navigation devices. In this case, it is only necessary to comply with the conditions for finding all consumers in a single spatio-temporal domain and using the common working constellation of the navigation system.

Очевидно, что чем большее количество наблюдений от автомобилей будет использоваться в анализе и построении агрегированного вероятностного поля поправок, тем точнее может быть найдена наиболее оптимальная поправка и определено реальное местоположение этих объектов, а также других потребителей спутниковых навигационных систем.Obviously, the larger the number of observations from cars will be used in the analysis and construction of the aggregate probabilistic field of corrections, the more accurately the most optimal correction can be found and the real location of these objects, as well as other consumers of satellite navigation systems, determined.

Полученная таким образом поправка компенсирует погрешности определения местоположения, общие для всех потребителей спутниковой навигационной системы, находящихся в одной пространственно-временной области, то есть связанные с расхождением шкал времени на спутниковых часах, неточностью эфемерид спутников и распространением радиосигнала в ионосфере и тропосфере. Другие погрешности, связанные с индивидуальными особенностями навигационных устройств, например, из-за многолучевого распространения радиосигнала или шумов приемной аппаратуры, остаются. Несмотря на это, авторы данного изобретения предполагают существенное увеличение точности определения местоположения потребителей спутниковых навигационных систем относительно «стандартных» измерений. Достижение субметровой (0.5-1 м) точности определения координат позволит решить ряд прикладных задач, в частности:The correction obtained in this way compensates for the location errors common to all consumers of the satellite navigation system located in the same space-time domain, i.e., related to the discrepancy of the time scales on the satellite clock, the inaccuracy of the satellite ephemeris and the propagation of the radio signal in the ionosphere and troposphere. Other errors associated with the individual characteristics of navigation devices, for example, due to the multipath propagation of a radio signal or the noise of receiving equipment, remain. Despite this, the authors of this invention suggest a significant increase in the accuracy of determining the location of consumers of satellite navigation systems relative to "standard" measurements. Achievement of submeter (0.5-1 m) accuracy of determination of coordinates will allow solving a number of applied problems, in particular:

- Микронавигация автотранспортных средств - определение текущей полосы движения автомобиля и выработка рекомендаций по своевременному перестроению с целью оптимального следования по всему маршруту движения.- Micro-navigation of vehicles - determination of the current lane of the car and development of recommendations for timely restructuring in order to optimally follow the entire route of movement.

- Определение загруженности и средней скорости движения на отдельных полосах, что позволит навигационным программам и сервисам строить более оптимальные маршруты и точнее определять общее время движения и время прибытия в конечный пункт.- Determination of congestion and average speed in separate lanes, which will allow navigation programs and services to build more optimal routes and more accurately determine the total travel time and arrival time at the final destination.

- Автоматическое обнаружение перекрытий отдельных полос на многополосных дорогах из-за проводимых ремонтных работ, неисправных транспортных средств или случившихся дорожно-транспортных происшествий.- Automatic detection of overlap of individual lanes on multi-lane roads due to ongoing repair work, faulty vehicles or traffic accidents.

- Мониторинг и оценка качества вождения (drive scoring), основанные на фиксации и анализе поведения водителя относительно движения по полосам - частота перестроений, выезд на встречную полосу, использование для движения обочин или выделенных для общественного транспорта полос, повороты или развороты с непредназначенных для этого полос.- Monitoring and assessment of driving quality (drive scoring), based on the recording and analysis of the driver’s behavior with respect to lane driving - the frequency of lane changes, exit to the oncoming lane, use of lanes or road lanes allocated for public transport, turns or turns from unintended lanes .

- Постобработка траекторий движения автотранспортных средств, по которым они двигались непосредственно перед возникновением дорожно-транспортных происшествий с целью выяснения всех обстоятельств, анализа причин и выявления виновного.- Post-processing of the trajectories of vehicles, on which they moved immediately before the occurrence of traffic accidents in order to clarify all the circumstances, analyze the causes and identify the culprit.

Предлагаемый способ повышения точности местоположения может использоваться как путем непосредственной коррекции координат потребителя, так и через коррекцию псевдодальностей до спутников. При этом, коррекция координат может производиться в геодезических или геоцентрических системах. При вычислении в геодезических координатах, как правило, предполагается использование двухмерного вероятностного поля поправок, включающего измерения в горизонтальной плоскости, без коррекции высоты. Использование геоцентрических координат подразумевает применение трехмерного поля поправок. Способ с коррекцией координат может использоваться в том случае, когда определение координат потребителей осуществляется по одному рабочему созвездию навигационной системы. В тоже время, способ с коррекцией псевдодальностей снимает это ограничение. Рассмотрим предложенные способы более подробно.The proposed method for improving the accuracy of location can be used both by directly correcting the coordinates of the consumer, and by correcting the pseudorange to satellites. At the same time, coordinate correction can be performed in geodetic or geocentric systems. When calculating in geodetic coordinates, as a rule, it is assumed to use a two-dimensional probability field of corrections, including measurements in the horizontal plane, without height correction. The use of geocentric coordinates implies the use of a three-dimensional field of corrections. The method with coordinate correction can be used in the case when the coordinates of consumers are determined by one working constellation of the navigation system. At the same time, the pseudorange correction method removes this limitation. Consider the proposed methods in more detail.

Способ вычисления общей дифференциальной поправки для непосредственной коррекции координат потребителей спутниковой навигационной системы работает следующим образом:The method of calculating the total differential correction for the direct correction of the coordinates of the consumers of the satellite navigation system works as follows:

1. Навигационный приемник с использованием стандартных аппаратно-программных средств вычисляет «примерные» геодезические координаты местоположения автотранспортного средства {L₀, В₀, Н₀).1. The navigation receiver using standard hardware and software calculates the "approximate" geodetic coordinates of the location of the vehicle (L ₀ , ₀ , H ₀ ).

2. Определяется текущее рабочее созвездие, то есть номера и расположение на небосводе относительно подвижного объекта спутников навигационной системы, которые использовались для определения координат автотранспортного средства.2. The current working constellation is determined, that is, the numbers and location in the sky relative to the moving object of the satellites of the navigation system, which were used to determine the coordinates of the vehicle.

3. Вычисляется вероятностное поле поправок с учетом актуальной цифровой разметки текущего участка улично-дорожной сети, на котором находится автотранспортное средство.3. The probability field of the corrections is calculated taking into account the current digital markup of the current section of the road network on which the vehicle is located.

4. Производится сбор, группировка по общим рабочим созвездиям и агрегация вероятностных полей поправок, полученных от множества автотранспортных средств из рассматриваемой пространственно-временной области.4. The collection, grouping by common working constellations and the aggregation of the probability fields of corrections received from a variety of vehicles from the considered space-time domain are performed.

5. Для каждого рабочего созвездия из соответствующего агрегированного вероятностного поля поправок извлекается и запоминается в памяти устройства наиболее вероятный вектор дифференциальной поправки {ΔL, ΔВ, ΔH}, соответствующий ячейке вероятностного поля поправок с наибольшим весом. В свою очередь, предлагаемый способ уточнения координат потребителя работает следующим образом:5. For each working constellation, from the corresponding aggregated probabilistic field of corrections, the most probable differential correction vector {ΔL, ΔB, ΔH} corresponding to the cell of the probabilistic field of corrections with the highest weight is extracted and stored in the device memory. In turn, the proposed method for determining the coordinates of the consumer works as follows:

1. Навигационный приемник с использованием стандартных аппаратно-программных средств вычисляет «примерные» геодезические координаты местоположения потребителя {L₀, В₀, Н₀}.1. The navigation receiver, using standard hardware and software, calculates the "approximate" geodetic coordinates of the consumer’s location {L ₀ , B ₀ , H ₀ }.

2. Определяется текущее рабочее созвездие.2. The current working constellation is determined.

3. Из памяти устройства извлекается актуальный вектор дифференциальной поправки {ΔL, ΔВ, ΔH}, соответствующий текущему рабочему созвездию.3. The current vector of the differential correction {ΔL, ΔВ, ΔH} corresponding to the current working constellation is extracted from the device’s memory.

4. Вычисляются уточненные координаты {L, В, Н), для чего вектор дифференциальной поправки применяется к измеренным координатам по следующим формулам:4. The adjusted coordinates {L, B, H) are calculated, for which the differential correction vector is applied to the measured coordinates using the following formulas:

L=L₀+ΔLL = L ₀ + ΔL

В=В₀+ΔВB = B ₀ + ΔB

H=H₀+ΔHH = H ₀ + ΔH

Следует отметить, что вычисление наиболее вероятных поправок относится к низкочастотным процессам - не имеет смысла выполнять пересчет для каждого момента времени. Типовое значение периодичности вычисления вектора дифференциальных поправок составляет от нескольких до десятков минут. Для нахождения оптимального интервала времени пересчета для каждой пространственно-временной области могут использоваться алгоритмы машинного обучения с учетом множества факторов: реального географического положения области, расположения спутников на небосводе, сезонности и времени суток, текущих и прогнозируемых метеоусловий и т.д.It should be noted that the calculation of the most probable corrections refers to low-frequency processes - it makes no sense to recalculate for each moment in time. The typical value of the frequency of calculating the vector of differential corrections is from several to tens of minutes. To find the optimal recalculation time interval for each space-time region, machine learning algorithms can be used taking into account many factors: the real geographical position of the region, the location of satellites in the sky, seasonality and time of day, current and forecast weather conditions, etc.

Модификацией рассмотренного выше способа повышения точности определения местоположения потребителей является вычисление поправок к псевдодальностям до спутников.A modification of the above method for improving the accuracy of determining the location of consumers is the calculation of corrections to the pseudorange to satellites.

Данный способ работает следующим образом. На стадии вычисления поправок к псевдодальностям производится:This method works as follows. At the stage of calculating corrections to pseudo-ranges, the following is performed:

1. Навигационный приемник с использованием стандартных аппаратно-программных средств вычисляет «примерные» геодезические координаты местоположения автотранспортного средства {L₀, В₀, Н₀}.1. The navigation receiver using standard hardware and software calculates the "approximate" geodetic coordinates of the location of the vehicle {L ₀ , B ₀ , H ₀ }.

2. Геодезические координаты объекта {L₀, В₀, Н₀} пересчитываются в геоцентрические координаты {х₀, у₀, z₀} по следующим формулам:2. The geodetic coordinates of the object {L ₀ , B ₀ , H ₀ } are converted into geocentric coordinates {x ₀ , y ₀ , z ₀ } according to the following formulas:

x₀=(N+Н₀)cosB₀cosL₀ x ₀ = (N + H ₀ ) cosB ₀ cosL ₀

y₀=(N+H₀)cosB₀sinL₀ y ₀ = (N + H ₀ ) cosB ₀ sinL ₀

z₀=[{1-e²)N+H₀]sinB₀ z ₀ = [{1-e ² ) N + H ₀ ] sinB ₀

где

,Where

,

- эксцентриситет эллипсоида,

- eccentricity of an ellipsoid,

α=1-b/а - параметр сжатия эллипсоида.α = 1-b / a is the compression parameter of the ellipsoid.

3. Навигационный приемник предоставляет данные о расстоянии от объекта до спутников рабочего созвездия {D_1,D₂ …, D_M}.3. The navigation receiver provides data on the distance from the object to the satellites of the working constellation {D _1, D ₂ ..., D _M }.

4. Осуществляется сбор наблюдений от множества транспортных средств, находящихся в одной пространственно-временной области.4. The collection of observations from multiple vehicles located in the same space-time region.

5. Используя совокупность известных псевдодальностей от всех видимых в данной пространственно-временной области спутников до некоторой группы транспортных средств, производится вычисление общих поправок к данным значениям {ΔD₁, ΔD₂ …, ΔD_M}. Данные поправки вычисляются путем решения оптимизационной задачи, минимизирующей некоторый заданный функционал ошибки с учетом ограничений, накладываемых цифровой разметкой на участках улично-дорожной сети, по которым двигаются транспортные средства. Другими словами, в данном способе делается попытка найти поправки к псевдодальностям, которые наиболее точно описывали бы различие между наблюдаемым и наиболее возможным местоположением совокупности автотранспортных средств.5. Using a set of known pseudorange from all satellites visible in a given space-time region to a certain group of vehicles, the general corrections to these values {ΔD ₁ , ΔD ₂ ..., ΔD _M } are calculated. These corrections are calculated by solving an optimization problem that minimizes some given error functional, taking into account the restrictions imposed by digital marking on sections of the road network along which vehicles move. In other words, this method attempts to find corrections to the pseudo-ranges that would most accurately describe the difference between the observed and the most possible location of the vehicle population.

6. В памяти каждого устройства производится запоминание актуального вектора дифференциальных поправок {ΔD₁, ΔD₂, …, ΔD_M] к псевдодальностям для каждого видимого спутника, не обязательно входящего в текущее рабочее созвездие. Стадия применения поправок для уточнения текущего местоположения потребителя производится следующим образом:6. In the memory of each device, the current vector of differential corrections {ΔD ₁ , ΔD ₂ , ..., ΔD _M ] to pseudo-ranges for each visible satellite, not necessarily included in the current working constellation, is stored. The stage of applying amendments to clarify the current location of the consumer is as follows:

1. Навигационный приемник предоставляет данные о псевдодальности до спутников рабочего созвездия {D₀₁, D₀₂,…, D_0N}.1. The navigation receiver provides pseudorange data to the satellites of the working constellation {D₀₁, D₀₂,..., D_0N}.

2. Из памяти устройства извлекается актуальный вектор дифференциальных поправок {ΔD₁, ΔD_{2, …}, ΔD_N} к псевдодальностям до спутников рабочего созвездия.2. The actual vector of differential corrections {ΔD ₁ , ΔD _{2, ...} , ΔD _N } to pseudo-ranges to the satellites of the working constellation is extracted from the device’s memory.

3. Вычисляются уточненные значения псевдодальностей для спутников рабочего созвездия по формуле D_i=D_0i+ΔD_i, i∈1…N3. The calculated pseudorange values for the satellites of the working constellation are calculated by the formula D _i = D _0i + ΔD _i , i∈1 ... N

4. По уточненным псевдодальностям {D₁, D₂, …, D_N} одним из известных способов решается навигационная задача, то есть вычисляются геоцентрические координаты потребителя {х, у, z}.4. According to the refined pseudo-ranges {D ₁ , D ₂ , ..., D _N }, the navigation problem is solved by one of the known methods, that is, the geocentric coordinates of the consumer {x, y, z} are calculated.

5. Геоцентрические координаты потребителя {х, у, z} переводятся в геодезические {L, В, Н} по дифференциальным формулам согласно используемой системы геодезических параметров. Это достигается использованием одного из множества способов решения данной задачи, например, с использованием итеративного метода Боуринга.5. The geocentric coordinates of the consumer {x, y, z} are translated into geodetic {L, B, H} using differential formulas according to the system of geodetic parameters used. This is achieved using one of the many ways to solve this problem, for example, using the iterative Bowring method.

В отличие от рассмотренного выше, главным достоинством способа, связанного с вычислением поправок к псевдодальностям, является возможность обработки данных от всей совокупности потребителей, без необходимости разбиения этой совокупности по рабочим созвездиям и отдельного вычисления поправок для каждой из таких групп. Как следствие, в среднем повышается точность определения местоположения из-за использования большего количества измерений. Кроме этого, в первом способе разбиение на группы по рабочим созвездиям может производиться неравномерно - будут существовать группы как с большим количеством, так и небольшим количеством измерений. Подобные группы с малым количеством потребителей, скорее всего, не дадут должного эффекта при коррекции их местоположений.In contrast to the above, the main advantage of the method associated with the calculation of corrections to pseudorange is the ability to process data from the entire population of consumers, without the need to divide this population into working constellations and separately calculate the corrections for each of these groups. As a result, location accuracy is improved on average by using more measurements. In addition, in the first method, the division into groups according to working constellations can be uneven - there will exist groups with both a large number and a small number of dimensions. Such groups with a small number of consumers, most likely, will not give the proper effect when correcting their locations.

Недостатком способа является необходимость проведения дополнительных вычислений. Кроме этого, следует заметить, что в настоящее время применение второго способа затруднено на бытовых устройствах (смартфонах, планшетных компьютерах и т.п.) в силу невозможности получения и какого-либо использования измеренных псевдодальностей. Компания Google, которая является разработчиком наиболее популярной мобильной операционной системы Android, обещает открыть доступ через программный интерфейс к дополнительной информации, относящейся к определению местоположения с использованием спутниковой навигационной системы, в том числе к величине задержки распространения радиосигналов. С появлением в операционной системе Android N данной функциональной возможности откроются перспективы использования данного способа в пользовательских мобильных устройствах.The disadvantage of this method is the need for additional calculations. In addition, it should be noted that at present, the application of the second method is difficult on household devices (smartphones, tablet computers, etc.) due to the impossibility of obtaining and any use of the measured pseudorange. Google, which is the developer of the most popular mobile operating system Android, promises to open access through a program interface to additional information related to positioning using a satellite navigation system, including the magnitude of the propagation delay of radio signals. With the advent of this functionality in the Android N operating system, the prospects for using this method in custom mobile devices will open.

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что предложенный в данном изобретении способ уточнения местоположения потребителей спутниковых навигационных систем является альтернативой созданию и использованию отдельной дифференциальной подсистемы. При этом, не требуется устанавливать дополнительное дорогостоящее оборудование ККС, а в качестве пользовательских устройств могут использоваться широко распространенные бытовые навигационные устройства, имеющие одночастотные приемники без аппаратной или программной поддержки стандартных протоколов коррекции.Summarizing the above, it can be noted that the proposed in this invention a method for determining the location of consumers of satellite navigation systems is an alternative to creating and using a separate differential subsystem. At the same time, it is not necessary to install additional expensive KKS equipment, and widespread household navigation devices having single-frequency receivers without hardware or software support for standard correction protocols can be used as user devices.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие рисунки, на которых:The invention is further explained in the description of specific options for its implementation with reference to the accompanying drawings, in which:

- Фиг. 1 поясняет общий принцип предлагаемого в данном изобретении способа, описывает вероятностные поля поправок для отдельных автотранспортных средств, находящихся в единой пространственно-временной области и использующих общее рабочее созвездие спутниковой навигационной системы.- FIG. 1 illustrates the general principle of the method proposed in this invention, describes the probability fields of corrections for individual vehicles located in a single spatio-temporal domain and using a common working constellation of a satellite navigation system.

- Фиг. 2 описывает состав и схему взаимодействия компонентов системы на стадии вычисления дифференциальных поправок.- FIG. 2 describes the composition and interaction scheme of system components at the stage of calculating differential corrections.

- Фиг. 3 описывает состав и схему взаимодействия компонентов системы на стадии запроса и применения дифференциальных поправок бытовыми навигационными устройствами.- FIG. 3 describes the composition and interaction scheme of system components at the request stage and the application of differential corrections by household navigation devices.

- Фиг. 4 описывает состав и схему взаимодействия компонентов системы на стадии запроса и применения дифференциальных поправок профессиональными устройствами с использованием сообщений в формате RTCM SC-104.- FIG. 4 describes the composition and interaction scheme of system components at the request stage and the application of differential corrections by professional devices using messages in the RTCM SC-104 format.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

В данном разделе приведено подробное описание нескольких из возможных вариантов реализации изобретения.This section provides a detailed description of several of the possible embodiments of the invention.

Во время движения по дороге навигационное оборудование, установленное в автотранспортном средстве, получает радиосигналы от спутников навигационной системы, по которым вычисляет оценку координат текущего положения автотранспортного средства, его мгновенную скорость и направление движения. Вся совокупность данных, относящихся к одному моменту времени и характеризующая движение автомобиля в этом момент времени, далее будем называть наблюдением. В состав наблюдения также включается информация об используемом в данный момент времени рабочем созвездии навигационной системы, а также могут входить другие навигационные параметры, в частности, измеренные псевдодальности до спутников.While driving on the road, the navigation equipment installed in the vehicle receives radio signals from the satellites of the navigation system, which calculates the estimated coordinates of the current position of the vehicle, its instantaneous speed and direction of movement. The entire set of data relating to one moment in time and characterizing the movement of the car at this point in time will be called observation below. The composition of the observation also includes information on the current working time constellation of the navigation system, and other navigation parameters, in particular, measured pseudoranges to satellites, may also be included.

Полученные таким образом данные наблюдений с использованием глобальной коммуникационной сети (в частности, сети Интернет) передаются в центр обработки данных на один из серверов подсистемы обработки информации (стадия 1 на фиг. 2). Для повышения пропускной способности системы в целом, обеспечения ее отказоустойчивой работы и снижения времени задержки на передачу и обработку информации могут использоваться несколько центров обработки данных, территориально удаленных друг от друга.The observation data obtained in this way using the global communication network (in particular, the Internet) are transmitted to the data center to one of the servers of the information processing subsystem (stage 1 in Fig. 2). To increase the throughput of the system as a whole, ensure its fault-tolerant operation and reduce the delay time for the transmission and processing of information, several data processing centers that are geographically remote from each other can be used.

Кроме подсистемы обработки информации в состав центра обработки данных также входят: подсистема хранения информации, подсистема вычисления векторов поправок, а также база данных векторов поправок. Следует заметить, что данный состав подсистем является весьма условным. Возможно применение различных сочетаний перечисленных подсистем внутри одного центра обработки данных. Например, один центр обработки данных может целиком отвечать за хранение «сырых» данных и вычисление дифференциальных поправок, а другой - за хранение готовых к использованию векторов дифференциальных поправок. Кроме этого, возможно наличие дополнительных подсистем, выполняющих вспомогательные задачи, например, формирование сообщений, содержащих дифференциальные поправки, в соответствии с требуемым форматом.In addition to the information processing subsystem, the data center also includes: the information storage subsystem, the correction vector calculation subsystem, and the correction vector database. It should be noted that this composition of the subsystems is very conditional. It is possible to use various combinations of these subsystems within the same data center. For example, one data center may be entirely responsible for storing raw data and calculating differential corrections, and another for storing ready-to-use differential correction vectors. In addition, there may be additional subsystems that perform auxiliary tasks, for example, the formation of messages containing differential corrections in accordance with the required format.

Далее приведено более подробное описание основных принципов взаимодействия этих подсистем, как если бы они располагались в одном центре обработки данных.The following is a more detailed description of the basic principles of interaction between these subsystems, as if they were located in one data center.

Пакет данных может включать в себя одно или одновременно несколько наблюдений, относящихся соответственно к одному или нескольким моментам времени. В подсистеме хранения информации производится накопление данных, полученных от множества потребителей (стадия 2). Помимо навигационных данных, данная подсистема хранит цифровую разметку участков улично-дорожной сети, которая на периодической основе обновляется. Актуальность цифровой разметки оказывает непосредственное влияние на точность вычисления векторов дифференциальных поправок.The data packet may include one or several observations at the same time, relating to one or more points in time, respectively. In the subsystem of information storage, data is collected from many consumers (stage 2). In addition to navigation data, this subsystem stores digital marking of sections of the road network, which is updated periodically. The relevance of digital markup has a direct impact on the accuracy of the calculation of differential correction vectors.

Подсистема вычисления векторов поправок с некоторой периодичностью запрашивает «сырые» данные у подсистемы хранения данных (стадия 3). Периодичность запроса данных может находиться в диапазоне от нескольких до десятков минут. Данные от подсистемы хранения информации передаются в подсистему вычисления (стадия 4).The subsystem for calculating the correction vectors with some periodicity requests raw data from the data storage subsystem (stage 3). The frequency of the data request can range from several to tens of minutes. Data from the information storage subsystem is transmitted to the calculation subsystem (stage 4).

Подсистема вычисления производит разбиение данных по пространственно-временным областям и отдельную обработку каждой из таких областей. В одном из вариантов реализации изобретения каждая такая область разбивается на группы, соответствующие одному рабочему созвездию навигационной системы. Для каждой такой группы формируется агрегированное вероятностное поле дифференциальных поправок и выделяется наиболее вероятный вектор поправок, соответствующий ячейке с наибольшим весом. Данный вектор дифференциальных поправок сохраняется в базу данных (стадия 5), откуда на периодической основе передается на устройства потребителей, находящихся в данной пространственно-временной области.The calculation subsystem splits data into spatio-temporal regions and separately processes each of these regions. In one embodiment of the invention, each such area is divided into groups corresponding to one working constellation of the navigation system. For each such group, an aggregated probabilistic field of differential corrections is formed and the most probable vector of corrections corresponding to the cell with the highest weight is selected. This vector of differential corrections is stored in the database (stage 5), from where it is transmitted periodically to devices of consumers located in this space-time domain.

В другом варианте реализации группировка по рабочим созвездиям не производится, так как выполнятся вычисление вектора дифференциальных поправок к псевдодальностям для каждого видимого в данной пространственно-временной области спутника. Вычисленные векторы поправок к псевдодальностям также сохраняются в базе данных (стадия 5).In another embodiment, the grouping by working constellations is not performed, since the vector of differential corrections to the pseudorange for each visible in the given space-time region of the satellite will be calculated. The calculated pseudorange correction vectors are also stored in the database (stage 5).

Кроме передачи наблюдений, навигационное устройство периодически запрашивает актуальные векторы поправок (стадия 1 на фиг. 3). Запрос от подсистемы обработки информации перенаправляется в базу данных векторов поправок (стадия 6), откуда извлекаются актуальные векторы дифференциальных поправок (стадия 7) и через коммуникационную сеть передаются в навигационное устройство (стадия 8). Полученные дифференциальные поправки сохраняются в памяти устройства до следующего запроса и применяется к зафиксированным координатам, уточняя, таким образом, местоположение потребителя (стадия 9).In addition to transmitting observations, the navigation device periodically requests relevant correction vectors (stage 1 in Fig. 3). The request from the information processing subsystem is redirected to the database of correction vectors (stage 6), from which the actual vectors of differential corrections are extracted (stage 7) and transmitted through the communication network to the navigation device (stage 8). The received differential corrections are stored in the device memory until the next request and are applied to the fixed coordinates, thus specifying the location of the consumer (stage 9).

В качестве клиентов системы могут выступать профессиональные устройства, поддерживающие получение дифференциальных поправок в формате RTCM SC-104 через коммуникационную сеть с использованием протокола NTRIP или другого, предназначенного для обмена подобной информацией. Как правило, это дорогие двухчастотные устройства, используемые при проведении геодезических или кадастровых работ.Clients of the system can be professional devices that support the receipt of differential corrections in the RTCM SC-104 format via a communication network using the NTRIP protocol or another designed to exchange such information. As a rule, these are expensive dual-frequency devices used in carrying out geodetic or cadastral works.

В этом случае навигационное устройство запрашивает поправки по протоколу NTRIP (стадия 1 на фиг. 4). Запрос от подсистемы обработки информации перенаправляется в базу данных векторов поправок (стадия 6), откуда извлекается актуальный вектор дифференциальных поправок (стадия 7). Подсистема обработки информации формирует сообщения в формате RTCM SC-104 и через коммуникационную сеть передает их в навигационное устройство (стадия 8). Полученные из сообщения поправки штатными аппаратно-программными средствами самого устройства применяется к оценке координат потребителя (стадия 9), так, как если бы они получались бы от «реальных» подсистем дифференциальных поправок.In this case, the navigation device requests NTRIP corrections (step 1 in FIG. 4). The request from the information processing subsystem is redirected to the database of correction vectors (stage 6), from which the actual vector of differential corrections is extracted (stage 7). The information processing subsystem generates messages in the RTCM SC-104 format and transmits them through the communication network to the navigation device (stage 8). The corrections received from the message using standard hardware and software of the device itself are applied to the estimation of the consumer’s coordinates (stage 9), as if they would be obtained from the “real” subsystems of differential corrections.

Альтернативный вариант реализации изобретения предполагает, что мобильное пользовательское устройство не имеет доступа к центру обработки данных через коммуникационную сеть. В этом случае роль подсистемы обработки и хранения данных, а также подсистемы вычисления и базы данных векторов дифференциальных поправок выполняют компоненты, входящие в состав навигационного устройства, расположенного в автотранспортном средстве. Поэтому, вместо вычисления общего вектора поправок для множества автотранспортных средств, находящихся в одной пространственно-временной области, производится вычисление индивидуального вектора поправок для самого навигационного устройства. Недостатком данной реализации системы является ограничение применимости автомобильными навигационными программами, а также проблема «холодного старта», которая заключается в необходимости затрат некоторого времени после начала движения автомобиля для получения достаточно точных значений векторов дифференциальных поправок. Кроме этого, требуется значительное усложнение программного обеспечения навигационного устройства.An alternative embodiment of the invention assumes that the mobile user device does not have access to the data center through a communication network. In this case, the role of the data processing and storage subsystem, as well as the calculation subsystem and the database of differential correction vectors are played by the components that make up the navigation device located in the vehicle. Therefore, instead of calculating the total correction vector for multiple vehicles located in the same space-time region, the individual correction vector for the navigation device itself is calculated. The disadvantage of this implementation of the system is the limited applicability of car navigation programs, as well as the problem of a “cold start”, which consists in the need for some time after the vehicle starts to get sufficiently accurate values of the differential correction vectors. In addition, a significant complication of the software of the navigation device is required.

Claims

1. A method for determining the location of objects using receivers of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of objects using standard hardware and software of navigation receivers, as well as information about the working constellations used to calculate the coordinate data, highlighting the conditional spatio-temporal correlation region of calculation errors pseudo-range to satellites of the navigation system, centralized collection using communication x networks, storing coordinates and working constellations obtained from vehicles located in a given space-time domain, grouping observations by working constellations, calculating the total correction correction for each such group by choosing the optimal differential correction vector from among the potential differential correction vectors, determined using the general probabilistic field of differential corrections obtained by aggregation of individual probabilistic fields of differential of social amendments, taking into account the physical restrictions on the possible location of vehicles imposed by existing elements of the road infrastructure, described as digital marking of sections of the road network along which the vehicles are moving, transferring the optimal vector of differential corrections to navigation devices and applying it to all objects located in the same space-time domain and using the corresponding vector of differential corrections to the working constellation, by summing the observed geodetic coordinates and the vector of differential corrections.

2. A method for determining the location of objects using receivers of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of objects using standard hardware and software of navigation receivers, as well as information about working constellations used to calculate coordinate data, translating the coordinates of objects from a geodetic system to a geocentric, allocation of the conditional spatio-temporal correlation region of errors in calculating pseudorange to navigational satellites ion system, centralized collection using communication networks, storing geocentric coordinates and working constellations obtained from vehicles located in a given space-time region, grouping observations by working constellations, calculating the total correction correction for each such group by choosing the optimal vector of differential corrections from the number of potential differential correction vectors determined using the general probabilistic field of diff of potential corrections obtained by aggregation of individual probabilistic fields of differential corrections taking into account physical restrictions on the possible location of vehicles imposed by existing elements of the road infrastructure described in the form of digital marking of sections of the road network along which the vehicles are moving, transmitting the optimal vector of differential corrections to navigation devices, applying it to all objects located in the same spaces time-domain and using the working constellation corresponding to the vector of differential corrections, by summing the geocentric coordinates and the vector of differential corrections, translating the geocentric coordinates of the objects back into the geodetic system.

3. The method according to p. 1, characterized in that the consumer receives the differential correction vectors corresponding to several intersecting spatio-temporal regions in which he is located, calculates the adjusted coordinates corresponding to the received differential correction vectors, and averages the obtained location coordinates taking into account the weights of the corresponding spatio-temporal areas.

4. The method according to p. 2, characterized in that the consumer receives the differential correction vectors corresponding to several intersecting spatio-temporal regions in which he is located, calculates the adjusted coordinates corresponding to the received differential correction vectors, and averages the obtained location coordinates taking into account the weights of the corresponding spatio-temporal areas.

5. A method for determining the location of a vehicle using a receiver of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of the object using standard hardware and software of the navigation receiver, as well as information on working constellations used to calculate coordinate data, storing coordinates and working constellations in the navigation memory devices without transmitting collected data using a communication network, grouping observations by working conv visits, calculating the total correctional correction for each such group by choosing the optimal differential correction vector from among the potential differential correction vectors determined using the total probabilistic field of differential corrections obtained by aggregating the probability fields of differential corrections taking into account physical restrictions on the possible location of the vehicle with navigation device superimposed by existing road elements infrastructures described in the form of digital marking of sections of the road network along which the vehicle is moving, and applying the calculated vector of differential corrections by summing it with the observed geodetic coordinates.

6. A method for determining the location of a vehicle using a receiver of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of the object using standard hardware and software of the navigation receiver, as well as information about the constellations used to calculate the coordinate data, translating the coordinates of the object from the geodetic system to a geocentric , storing coordinates and working constellations in the memory of the navigation device without transmitting the collected data from the calling a communication network, grouping observations by working constellations, calculating the total correction correction for each such group by choosing the optimal vector of differential corrections from the number of potential differential correction vectors, determined using the total probabilistic field of differential corrections obtained by aggregating the probability fields of differential corrections taking into account physical restrictions on the possible location of a vehicle with installed navi Discount device imposed by existing road infrastructure elements, described in a markup digital portions of the road network on which the vehicle moves, application of differential correction vector calculated by summing it with the observed geocentric coordinates and translation geocentric coordinates of the object back to the datum.

7. A method for determining the location of objects using the receiver of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of the objects using standard hardware and software of navigation receivers, as well as information about the working constellations used to calculate coordinate data, translating the coordinates of objects into a geocentric system, highlighting the conditional spatio-temporal area of correlation of errors in calculating pseudorange to satellites of the navigation system, neutralized collection using communication networks, storing geocentric coordinates and information about working constellations obtained from vehicles located in a given space-time region, calculating correction corrections to pseudo-ranges to all navigation satellites used to determine the coordinates of objects from a given space-time region by solving an optimization problem that minimizes some given error functional, taking into account physical restrictions on the possible location of vehicles superimposed by existing elements of the road infrastructure, described as digital marking of sections of the road network along which the vehicles are moving, and which would most accurately describe the differences between the observed and actually possible locations of the vehicle population, transmitting the vector of differential corrections to pseudo-ranges on navigation devices and its application to pseudo-ranges to work satellites STAR by summing the observed pseudorange and the vector of differential corrections, calculating adjusted geocentric coordinates and transfer them to the datum.

8. The method according to p. 7, characterized in that the consumer receives differential correction vectors corresponding to several intersecting spatio-temporal regions in which he is located, calculates the corrected pseudorange corresponding to the received differential correction vectors, and averages the obtained pseudorange taking into account the weights of the corresponding spatially -time areas.

9. A method for determining the location of a vehicle using a receiver of global satellite navigation systems, which consists in obtaining the geodetic coordinates of the object using standard hardware and software of the navigation receiver, as well as information about the constellations used to calculate coordinate data, translating the coordinates of the object into a geocentric system, and storing coordinates and working constellations in the memory of the navigation device without transmitting the collected data using communi network, the calculation of correction corrections to the pseudorange to all navigation satellites used to determine the coordinates of the object by solving an optimization problem that minimizes some given error functional, taking into account physical restrictions on the possible location of a vehicle with an installed navigation device, imposed by existing road infrastructure elements described in as a digital marking of sections of the road network along which vehicles peppermint means, and which would be most accurately described the differences between the observed and actual possible locations of the vehicle, applying the resultant vector differential corrections for pseudorange to a working constellations of satellites by summing the observed pseudorange and vector differential corrections, calculating corrected geocentric coordinates and transferring them to the datum.

10. A system for determining the location of consumers of global satellite navigation systems, including navigation devices located in and outside motor vehicles, a data processing and storage subsystem, as well as calculations and a database of differential correction vectors included in the data center, available a navigation device using the global communication network, and which collects and transfers to the data processing center observations of coordinates and working stars of the satellite navigation system, the accumulation of observations obtained from many different vehicles located in the same spatio-temporal correlation region of errors in calculating pseudorange to the satellites of the navigation system, calculating and storing common differential correction vectors and transmitting the received differential corrections using the communication network back to the navigation device where the correction of the observed location is made taking into account the received a vector differential corrections.

11. The system according to p. 10, characterized in that the device supporting the receipt of differential corrections in the form of messages in the RTCM SC-104 format acts as a consumer of the differential correction.

12. The system according to p. 11, characterized in that the differential amendments are transmitted to the consumer in the form of messages in other formats.

13. A system for determining the location of a vehicle, including a navigation device located in a vehicle, data processing and storage subsystems, as well as calculations and a database of differential correction vectors included in the navigation device, which collect and accumulate observations about the coordinates of the navigation device and the working constellation of the satellite navigation system, calculation and storage of individual vectors for the navigation device differential corrections, as well as the correction of the observed location, taking into account the calculated individual differential correction vectors.