RU2638411C2

RU2638411C2 - Method of identification of navigation satellites parameters with compensation of navigation receiver errors

Info

Publication number: RU2638411C2
Application number: RU2015153230A
Authority: RU
Inventors: Имран Гурру оглы Акперов; Владислав Валерьевич Каменский; Сергей Олегович Крамаров; Виктор Иванович Лукасевич; Сергей Викторович Соколов
Original assignee: Частное образовательное учреждение высшего образования "ЮЖНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ИУБиП)"
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-12-13
Also published as: RU2015153230A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to methods of navigating through satellite radio navigation systems (SRNS) and can be used to determine the parameters of navigation satellites and to improve the accuracy of navigation receiver coordinates determination.

EFFECT: increase the accuracy of locating the navigation receiver by correcting and taking into account the error in mutual synchronization of navigation satellites hours, as well as instrumental errors of satellites transmitters.

1 dwg

Description

Изобретение относится к способам навигации по Спутниковым Радионавигационным Системам (СРНС) и может быть использовано для идентификации параметров навигационных спутников и повышения точности определения координат навигационного приемника.The invention relates to navigation methods for Satellite Radio Navigation Systems (SRNS) and can be used to identify the parameters of navigation satellites and improve the accuracy of determining the coordinates of the navigation receiver.

Технический результат заключается в повышении точности определения координат навигационного приемника и навигационных спутников за счет исключения погрешностей взаимной синхронизации часов навигационного приемника и навигационных спутников, инструментальных погрешностей передатчиков и приемников спутников, а также за счет определения расстояний между спутниками.The technical result consists in increasing the accuracy of determining the coordinates of the navigation receiver and navigation satellites by eliminating the errors of mutual synchronization of the clocks of the navigation receiver and navigation satellites, instrumental errors of the transmitters and receivers of the satellites, as well as by determining the distances between the satellites.

Известны различные способы повышения точности определения координат навигационного приемника. В [патент США № 7535414] изложен способ, который предполагает, что перед вычислением координат навигационного приемника производится разрешение неопределенностей, вызванных в т.ч. ошибками часов навигационных спутников, в неполных псевдодальностях. В [патент США № 6417801] предлагается разрешение неопределенностей в неполных псевдодальностях путем добавления в вектор оцениваемых параметров поправки ко времени измерения с последующим перебором всех допустимых целочисленных комбинаций неоднозначностей и выбором нужной из них по критерию минимума остаточных невязок.There are various ways to improve the accuracy of determining the coordinates of the navigation receiver. [US Patent No. 7,535,414] describes a method that assumes that before calculating the coordinates of the navigation receiver, the uncertainties caused including errors of the navigation satellite clock, in incomplete pseudo-ranges In [US patent No. 6417801], it is proposed to resolve uncertainties in incomplete pseudorange by adding a correction to the measurement time in the vector of the estimated parameters, then sorting out all valid integer combinations of ambiguities and selecting the necessary one according to the criterion of the minimum residual residuals.

Также для повышения точности определения координат навигационного приемника используются различные алгоритмы компенсации погрешностей часов [Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС (5.1 редакция). - М.: РНИИ КП, 2008. - 57 с.], а также применяется дифференциальный режим измерений по кодовым дальностям, реализуемый с помощью контрольного навигационного приемника с известными географическими координатами - т.н. базовой станции [Bar-Sever, Y. A new Massachusetts model for GPS yaw attitude // Journal of Geodesy, 70, 714723, 1996]. Недостатками данных способов являются сложность их реализации и невозможность точного определения текущих значений ошибок взаимной синхронизации часов навигационных спутников и навигационного приемника, а также инструментальных погрешностей передатчиков и приемников спутников, для их последующей компенсации.Also, to improve the accuracy of determining the coordinates of the navigation receiver, various clock error compensation algorithms are used [GLONASS interface control document (5.1 edition). - M.: RNII KP, 2008. - 57 p.], And also uses a differential mode of measurements by code ranges, implemented using a control navigation receiver with known geographical coordinates - the so-called. base station [Bar-Sever, Y. A new Massachusetts model for GPS yaw attitude // Journal of Geodesy, 70, 714723, 1996]. The disadvantages of these methods are the complexity of their implementation and the inability to accurately determine the current values of the errors of the mutual synchronization of the clocks of navigation satellites and the navigation receiver, as well as the instrumental errors of the transmitters and receivers of the satellites, for their subsequent compensation.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, описанный в [патент РФ №2432584. Способ определения координат навигационного приемника спутниковой радионавигационной системы / Васильев М.В., Михайлов Н.В., Поспелов С.С., Джалали Биджан], состоящий в том, что вычисление поправок к координатам приемника производится после измерения псевдодальностей и псевдоскоростей по невязкам псевдодальностей.Closest to the proposed invention is the method described in [RF patent No. 2432584. The method for determining the coordinates of the navigation receiver of the satellite radio navigation system / Vasiliev M.V., Mikhailov N.V., Pospelov S.S., Jalali Bijan], which consists in the fact that the calculation of the corrections to the coordinates of the receiver is made after measuring the pseudorange and pseudo-velocity from the residual pseudorange .

Недостатком данного способа является также сложность аппаратной и вычислительной реализации и невозможность точного определения текущих значений ошибок взаимной синхронизации часов навигационных спутников и навигационного приемника, а также инструментальных погрешностей передатчиков и приемников спутников, для их последующей компенсации.The disadvantage of this method is the complexity of the hardware and computational implementation and the inability to accurately determine the current values of the errors of the mutual synchronization of the clock of navigation satellites and the navigation receiver, as well as the instrumental errors of the transmitters and receivers of the satellites, for their subsequent compensation.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения местоположения навигационного приемника за счет коррекции и учета погрешности взаимной синхронизации часов навигационных спутников, а также инструментальных погрешностей передатчиков спутников.The claimed invention is aimed at solving the problem of improving the accuracy of determining the location of the navigation receiver by correcting and accounting for the error of mutual synchronization of the clock of navigation satellites, as well as instrumental errors of satellite transmitters.

Поставленная задача возникает при разработке систем контроля и управления навигационными спутниками, а также использования их измерений для решения навигационной задачи объекта.The problem arises in the development of monitoring and control systems for navigation satellites, as well as the use of their measurements to solve the navigation problem of the object.

Для обеспечения определения параметров навигационных спутников с компенсацией погрешностей навигационного приемника и упрощения аппаратной и вычислительной реализации данной процедуры предлагается способ, состоящий в том, что в группе из семи навигационных спутников, число которых определено из условия равенства числа измеренных межспутниковых дальностей при обоюдном измерении расстояний между двумя спутниками числу неизвестных параметров спутников: истинных дальностей между спутниками, погрешностей взаимной синхронизации часов спутников, инструментальных погрешностей передатчиков и приемников спутников, реализуются одновременные передача навигационных сообщений от каждого спутника к каждому и их прием каждым спутником от каждого, определение межспутниковых псевдодальностей и их передача на все спутники группировки с последующим решением на каждом спутнике сорока одного линейного алгебраического уравнения, число которых определяется числом неизвестных определяемых параметров: двадцатью одной истинной межспутниковой дальностью, шестью погрешностями взаимной синхронизации часов семи спутников, семью инструментальными погрешностями передатчиков и семью инструментальными погрешностями приемников семи спутников, и каждое из которых представляет собой линейную зависимость псевдодальности между соответствующими двумя спутниками от истинной дальности между ними, погрешности взаимной синхронизации их часов и инструментальных погрешностей их передатчиков и приемников; в результате решения данных линейных уравнений на каждом спутнике определяются истинные дальности между спутниками, погрешности взаимной синхронизации часов спутников, инструментальные погрешности передатчиков и приемников спутников, после чего погрешности взаимной синхронизации часов спутников и инструментальные погрешности их передатчиков передаются в навигационных сообщениях и компенсируются в навигационном приемнике объекта при определении его координат, осуществляемом на основе решения итеративными методами системы не менее трех нелинейных уравнений, каждое из которых сформировано по разности измеренных псевдодальностей между объектом и двумя спутниками группировки и представляет собой радикально-квадратичную зависимость разности истинных дальностей между объектом и двумя спутниками группировки от координат объекта в гринвичской системе координат.To ensure the determination of the parameters of navigation satellites with compensation for errors in the navigation receiver and to simplify the hardware and computational implementation of this procedure, a method is proposed consisting in the fact that in a group of seven navigation satellites, the number of which is determined from the condition that the number of measured inter-satellite ranges is equal when measuring the distances between two satellites to the number of unknown parameters of satellites: true distances between satellites, clock synchronization errors in satellites, instrumental errors of transmitters and receivers of satellites, the simultaneous transmission of navigation messages from each satellite to each and their reception by each satellite from each are realized, the determination of inter-satellite pseudorange and their transmission to all satellites of the group with the subsequent solution of forty-one linear algebraic equations on each satellite, the number of which is determined by the number of unknown parameters being determined: twenty-one true inter-satellite ranges, six errors in borrowed clock synchronization of seven satellites, seven instrumental errors of the transmitters and seven instrumental errors of the receivers of seven satellites, and each of which is a linear dependence of the pseudorange between the respective two satellites on the true distance between them, the errors of mutual synchronization of their clocks and the instrumental errors of their transmitters and receivers; as a result of solving these linear equations on each satellite, the true distances between the satellites, the errors of the mutual synchronization of the satellite clocks, the instrumental errors of the transmitters and receivers of the satellites are determined, after which the errors of the mutual synchronization of the clocks of the satellites and the instrumental errors of their transmitters are transmitted in the navigation messages and compensated in the navigation receiver of the object when determining its coordinates, carried out on the basis of a solution by iterative methods, the system does not its three nonlinear equations, each of which is formed from the difference between the measured pseudorange between the object and the two constellation and represents the radical quadratic dependence of the difference of the true distances between the object and the two satellites from the group of object coordinates in the coordinate system of Greenwich.

Точность решения навигационной задачи с использованием средств спутниковой навигации в значительной мере зависит от степени подавления помех, возникающих при приеме-передаче спутниковых сообщений. В общем случае информационная структура спутникового измерения псевдодальности Z_R, используемого в качестве основного сигнала при позиционировании объектов, с учетом помех, в наибольшей степени влияющих на точность позиционирования, имеет вид:The accuracy of solving a navigation problem using satellite navigation means largely depends on the degree of suppression of interference arising from the reception and transmission of satellite messages. In the General case, the information structure of the satellite measurement of the pseudorange Z _R used as the main signal when positioning objects, taking into account the interference that most affects the positioning accuracy, has the form:

где ξ_c, η_c, ζ_c - текущие координаты спутника в гринвичской системе координат (ГрСК),where ξ _c , η _c , ζ _c are the current coordinates of the satellite in the Greenwich coordinate system (GRS),

ξ, η, ζ - текущие координаты объекта в ГрСК,ξ, η, ζ - the current coordinates of the object in GRSK,

С - номинальное значение скорости света в вакууме,C is the nominal value of the speed of light in vacuum,

Δτ - погрешность часов навигационного приемника,Δτ is the error of the clock of the navigation receiver,

ΔT - погрешность часов спутника,ΔT is the error of the satellite clock,

W_ИТ - погрешности, обусловленные прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу,W _IT - errors due to the passage of the radio signal through the ionosphere and troposphere,

W_П - инструментальные погрешности навигационного приемника объекта,W _P - instrumental errors of the navigation receiver of the object,

W_S - инструментальные погрешности передатчика спутника.W _S - instrumental errors of the satellite transmitter.

Среди перечисленных погрешностей наиболее значительный удельный вес имеют инструментальные погрешности передатчика спутника и ошибки часов спутника и приемника. Так, например, несмотря на установку атомных часов на навигационных спутниках, среднеквадратическое значение ошибки взаимной синхронизации бортовых шкал времени может достигать 20 и более нс [ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (Редакция 5.1). 2008. - 74 с.].Among the listed errors, the instrumental errors of the satellite transmitter and the errors of the clocks of the satellite and receiver have the most significant share. So, for example, despite the installation of an atomic clock on navigation satellites, the mean square error of the mutual synchronization of the onboard time scales can reach 20 or more ns [GLONASS. Interface control document / Navigation radio signal in the L1, L2 bands with open access and frequency division (Version 5.1). 2008. - 74 p.].

В настоящее время для компенсации погрешности часов применяются различные алгоритмы, построенные на основе ее аппроксимации временными полиномами. Например, в СНС ГЛОНАСС ошибка часов спутника ΔT аппроксимируется линейной зависимостью от времени с заданными параметрами (в GPS применяется квадратичная зависимость):At present, various algorithms based on its approximation by time polynomials are used to compensate for clock errors. For example, in the GLONASS SNA, the satellite clock error ΔT is approximated by a linear time dependence with specified parameters (a quadratic dependence is used in GPS):

где t^* - время расчета погрешности на момент поступления спутниковой информации,where t ^* is the time of calculation of the error at the time of receipt of satellite information,

α₀, α₁ - известные параметры модели ошибки часов спутника,α ₀ , α ₁ - known parameters of the satellite clock error model,

Т_Г - время задержки спутникового сигнала,T _G - the delay time of the satellite signal,

Т_Р - релятивистская поправка, определяемая в процессе вычисления координат спутника.T _P - relativistic correction, determined in the process of calculating the coordinates of the satellite.

Как видно из (2), компенсационная модель содержит 4(!) параметра, требующих дополнительного непростого их определения с различной периодичностью, снижающего общую эффективность применения модели (2). При этом алгоритмы компенсации инструментальных погрешностей передатчика спутника в настоящее время вообще отсутствуют.As can be seen from (2), the compensation model contains 4 (!) Parameters that require an additional difficult determination with different periodicities, which reduces the overall efficiency of the model (2). Moreover, algorithms for compensating the instrumental errors of the satellite transmitter are currently completely absent.

Существующие навигационные системы ГЛОНАСС и GPS с целью повышения точности решения навигационной задачи проходят в настоящий момент усиленную модернизацию, позволяющую, в частности, определять с помощью бортовых измерительных средств расстояния между спутниками, находящимися в зоне прямой видимости.The existing GLONASS and GPS navigation systems, in order to improve the accuracy of solving the navigation problem, are currently undergoing extensive modernization, which allows, in particular, determining the distance between satellites located in direct line of sight using on-board measuring instruments.

Так, например, навигационные спутники ГЛОНАСС-М оснащаются бортовой аппаратурой межспутниковых измерений [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. - 3-е изд., перераб. - М.: Радиотехника, 2005. - 688 с.], а навигационные спутники ГЛОНАСС-К - приемоформирующим устройством межспутниковой радиолинии [Ступак Г.Г., Ревнивых С.Г., Игнатович Е.И., Куршин В.В., Бетанов В.В., Панов С.С., Бондарев Н.З., Чеботарев В.Е., Решетнева М.Ф., Балашова Н.Н., Сердюков А.И., Синцова Л.Н. // Выбор структуры орбитальной группировки перспективной системы ГЛОНАС // Космонавтика №3-4 (6) 2013, С. 4-11.]. Формирующая часть устройства межспутниковой радиолинии осуществляет формирование и излучение информационно-измерительных радиосигналов, структура которых аналогична структуре навигационного сигнала ГЛОНАСС. В приемной части осуществляется усиление радиосигналов и измерение псевдоскорости и псевдодальности между навигационными спутниками системы ГЛОНАСС и выделение цифровой информации из принимаемого информационно-измерительного сигнала.So, for example, GLONASS-M navigation satellites are equipped with on-board inter-satellite measurement equipment [GLONASS. The principles of construction and operation / Ed. A.I. Perova, V.N. Harisova. - 3rd ed., Revised. - M .: Radio engineering, 2005. - 688 p.], And GLONASS-K navigation satellites - by the receiving-forming device of the inter-satellite radio line [Stupak GG, Revnyvykh SG, Ignatovich EI, Kurshin VV, Betanov V.V., Panov S.S., Bondarev N.Z., Chebotarev V.E., Reshetneva M.F., Balashova N.N., Serdyukov A.I., Sintsova L.N. // Choice of the structure of the orbital grouping of the GLONAS perspective system // Cosmonautics No. 3-4 (6) 2013, S. 4-11.]. The forming part of the inter-satellite radio link device generates and emits information-measuring radio signals, the structure of which is similar to the structure of the GLONASS navigation signal. In the receiving part, radio signals are amplified and the pseudo-speed and pseudorange are measured between the GLONASS navigation satellites and the digital information is extracted from the received information-measuring signal.

Повышение точности определения положения навигационных спутников возможно также при использовании лазерных дальномеров [Чубыкин А.А., Рой Ю.А., Корнишев О.М., Падун П.П. Использование бортовых лазерных измерительно-связных средств для повышения точности и оперативности ЭВО спутников системы ГЛОНАСС // ЭВ & ЭС. Т. 12. 2007. С. 25-30, Шаргородский В.Д., Чубыкин А.А., Сумерин В.В. Межспутниковая лазерная навигационно-связная система // Аэрокосмический курьер. 2007. №1 (49). С. 88-89], в основе которого лежит принцип измерения времени распространения лазерных импульсов.Improving the accuracy of determining the position of navigation satellites is also possible when using laser rangefinders [Chubykin AA, Roy Yu.A., Kornishev OM, Padun P.P. The use of onboard laser measuring and connected means to improve the accuracy and efficiency of EVO satellites of the GLONASS system // EV & ES. T. 12. 2007. S. 25-30, Shargorodsky V.D., Chubykin A.A., Sumerin V.V. Inter-satellite laser navigation and communications system // Aerospace Courier. 2007. No1 (49). P. 88-89], which is based on the principle of measuring the propagation time of laser pulses.

При этом очевидно, что сигналы измерения псевдодальностей между i-м и j-м спутниками будут свободны от погрешностей, обусловленных прохождением сигнала через ионосферу и тропосферу как в (1), и будут иметь вид:It is obvious that the measurement signals of pseudorange between the ith and jth satellites will be free from errors caused by the passage of the signal through the ionosphere and troposphere as in (1), and will have the form:

где Z_ij - псевдодальность, измеренная на j-м спутнике,where Z _ij is the pseudorange measured on the jth satellite,

R_ij - истинная дальность между i-м и j-м спутниками,R _ij is the true range between the i-th and j-th satellites,

ΔT_j - погрешность часов j-го спутника,ΔT _j is the error of the clock of the j-th satellite,

ΔT_i - погрешность часов i-го спутника,ΔT _i - clock error of the i-th satellite,

W_Si - погрешность передатчика i-го спутника,W _Si is the error of the transmitter of the i-th satellite,

W_Пj - погрешность приемника j-го спутника,W _Pj - the error of the receiver of the j-th satellite,

ΔT_ji=с(ΔT_j-ΔT_i) - ошибка взаимной синхронизации часов i-го и j-го спутников.ΔT _ji = с (ΔT _j -ΔT _i ) is the error of mutual synchronization of the clocks of the i-th and j-th satellites.

Предварительно определим число спутников N, необходимое и достаточное для полного определения пространственно-временных параметров спутников. Число всех возможных расстояний между N спутниками (равное числу ребер графа с N вершинами) определяется известным выражением: N(N-1)/2. При обоюдном измерении расстояний между двумя спутниками число измеренных межспутниковых дальностей будет равно, соответственно, N(N-1). В полученных измерениях содержатся следующие неизвестные переменные: N(N-1)/2 истинных расстояний между N спутниками, (N-1) линейно независимых ошибок взаимной синхронизации часов N спутников (остальные (N-1)(N/2-1) определяются их линейными комбинациями), N инструментальных погрешностей передатчиков N спутников и N инструментальных погрешностей приемников N спутников, т.е. общее число неизвестных переменных составляет N(N-1)/2+N-1+N+N. Приравнивая общее число измерений к числу неизвестных переменных, имеем следующее уравнение:Preliminarily determine the number of satellites N, necessary and sufficient for the complete determination of the spatio-temporal parameters of satellites. The number of all possible distances between N satellites (equal to the number of edges of the graph with N vertices) is determined by the well-known expression: N (N-1) / 2. In the mutual measurement of the distances between two satellites, the number of measured inter-satellite ranges will be, respectively, N (N-1). The obtained measurements contain the following unknown variables: N (N-1) / 2 true distances between N satellites, (N-1) linearly independent errors of mutual synchronization of clocks of N satellites (the rest (N-1) (N / 2-1) are determined their linear combinations), N instrumental errors of the transmitters of N satellites and N instrumental errors of the receivers of N satellites, i.e. the total number of unknown variables is N (N-1) / 2 + N-1 + N + N. Equating the total number of measurements to the number of unknown variables, we have the following equation:

N(N-1)/2=3N-1N (N-1) / 2 = 3N-1

илиor

N²-7N+2=0,N ² -7N + 2 = 0,

откуда легко определяется число спутников, необходимое и достаточное для решения поставленной задачи:from where the number of satellites is easily determined, necessary and sufficient to solve the problem:

N=7.N = 7.

(Если истинные расстояния между спутниками известны - например, измерены с высокой точностью лазерными дальномерами, то число неизвестных переменных сокращается до 3N-1 и уравнение, определяющее число спутников, принимает вид;(If the true distances between the satellites are known - for example, measured with high accuracy by laser rangefinders, then the number of unknown variables is reduced to 3N-1 and the equation determining the number of satellites takes the form;

N²-4N+1=0,N ² -4N + 1 = 0,

откуда N=4.)whence N = 4.)

В принятых обозначениях измеренные расстояния (псевдодальности) Z_ij между семью навигационными спутниками 1₁, 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇ (фиг. 1) могут быть представлены следующим образом:In the accepted notation, the measured distances (pseudoranges) Z _ij between the seven navigation satellites 1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ (Fig. 1) can be represented as follows:

где ΔT₁₂, ΔT₁₃, ΔT₅₃, ΔT₂₃, …, ΔT₃₄, ΔT₅₄, ΔT₂₄ - погрешности взаимной синхронизации часов спутников 1₁, 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇,where ΔT ₁₂ , ΔT ₁₃ , ΔT ₅₃ , ΔT ₂₃ , ..., ΔT ₃₄ , ΔT ₅₄ , ΔT ₂₄ are the errors of mutual synchronization of the clocks of satellites 1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ ,

R₁₃, R₂₃, R₁₂, …, R₅₃, R₂₄, R₅₄ - истинные дальности между спутниками,R ₁₃ , R ₂₃ , R ₁₂ , ..., R ₅₃ , R ₂₄ , R ₅₄ - the true range between the satellites,

W_П1, W_П2, W_П3, W_П4, W_П5, W_П6, W_П7 - инструментальные погрешности приемников спутников 1₁, 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇,W _P1 , W _P2 , W _P3 , W _P4 , W _P5 , W _P6 , W _P7 - instrumental errors of satellite receivers 1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ ,

W_S1, W_S2, W_S3, W_S4, W_S5, W_S6, W_S7 - инструментальные погрешности передатчиков спутников 1₁, 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇, соответственно.W _S1 , W _S2 , W _S3 , W _S4 , W _S5 , W _S6 , W _S7 are the instrumental errors of satellite transmitters 1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ , respectively.

Учитывая очевидные соотношения:Given the obvious relationships:

ΔT_ji=-ΔT_ij, ΔT_jk=ΔT_ik-ΔT_ij=ΔT_k-ΔT_k-ΔT_j, i, j, k=1, 2 … 5,ΔT _ji = -ΔT _ij , ΔT _jk = ΔT _ik -ΔT _ij = ΔT _k -ΔT _k -ΔT _j , i, j, k = 1, 2 ... 5,

система (4) из 42-х уравнений с 77-ю неизвестными может быть сведена к системе 42-х уравнений с 41-м неизвестным - 21-й истинной дальностью R₁₃, R₂₃, R₁₂, …, R₅₃, R₂₄, R₅₄, 6-ю независимыми погрешностями взаимной синхронизации часов спутников (выбор определяемых погрешностей принципиального значения не имеет, поэтому выберем далее в качестве независимых переменных погрешности ΔT₁₂, ΔT₁₃, ΔT₁₄, ΔT₁₅, ΔT₁₇, ΔT₁₆), 7-ю инструментальными погрешностями передатчиков W_S1, W_S2, W_S3, W_S4, W_S5, W_S6, W_S7 и 7-ю инструментальными погрешностями приемников W_П1, W_П2, W_П3, W_П4, W_П5, W_П6, W_П7:system (4) of 42 equations with 77 unknowns can be reduced to a system of 42 equations with 41 unknowns - the 21st true range R ₁₃ , R ₂₃ , R ₁₂ , ..., R ₅₃ , R ₂₄ , R ₅₄ , 6 independent errors of mutual synchronization of the clocks of the satellites (the choice of the determined errors is of no fundamental importance, therefore, we will choose the errors ΔT ₁₂ , ΔT ₁₃ , ΔT ₁₄ , ΔT ₁₅ , ΔT ₁₇ , ΔT ₁₆ as independent variables), 7 -th instrumental errors transmitters w _S1, w _S2, w _S3, w _S4, w _S5, w _S6, w _S7 and 7th instrumental errors receivers w _A1, w _A2, w _S3, w _S4, w _A5, w _6, W _P7:

и легко решается любым из известных способов решения линейных алгебраических уравнений непосредственно на борту каждого из спутников 1₁, 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇. (Т.к. при этом одно избыточное уравнение может быть исключено, возникает возможность дополнительного формирования еще

систем уравнений, аналогичных (5), для их параллельного решения с целью повышения точности - за счет, например, усреднения полученных результатов.)and easily solved by any of the known methods for solving linear algebraic equations directly on board each of the

satellites

1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ . (Since in this case one redundant equation can be excluded, the possibility of additional formation of

systems of equations similar to (5) for their parallel solution in order to improve accuracy - for example, by averaging the results.)

В данном случае решается не только задача текущего определения погрешностей взаимной синхронизации часов всех спутников и инструментальных погрешностей их передатчиков и приемников, используемых, как показано далее, для компенсации помех в сигнале навигационного приемника объекта, но и расстояний между спутниками, используемых, в свою очередь, в качестве дополнительной информации для определения их текущих координат. Рассмотрим способ такого определения подробно.In this case, not only the problem of the current determination of the errors of mutual synchronization of the clocks of all satellites and the instrumental errors of their transmitters and receivers used, as shown below, to compensate for interference in the signal of the navigation receiver of the object, but also the distances between the satellites used, in turn, is solved as additional information to determine their current coordinates. Consider the method of such a definition in detail.

В гринвичской системе координат (ГрСК) истинное расстояние Rij между двумя спутниками - i-м и j-м, может быть представлено следующим образом [ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (Редакция 5.1). 2008. - 74 с.], [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 3-е изд. / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова, М.: Радиотехника, 2005. 688 с.]:In the Greenwich coordinate system (HSC), the true distance Rij between two satellites, i-th and j-th, can be represented as follows [GLONASS. Interface control document / Navigation radio signal in the L1, L2 bands with open access and frequency division (Version 5.1). 2008. - 74 p.], [GLONASS. The principles of construction and operation. 3rd ed. / ed. A.I. Perova, V.N. Harisova, M .: Radio engineering, 2005. 688 p.]:

где ξ_i, η_i, ζ_i - текущие координаты i-го спутника в ГрСК,where ξ _i , η _i , ζ _i are the current coordinates of the i-th satellite in the GRS,

ξ_j, η_j, ζ_j - текущие координаты j-го спутника в ГрСК.ξ _j , η _j , ζ _j are the current coordinates of the jth satellite in the GRS.

Т.к. число истинных дальностей между N спутниками определяется как N(N-1)/2, а число неизвестных координат N спутников равно 3N, то число спутников, необходимое и достаточное для решения задачи определения их текущих координат, удовлетворяет уравнению:Because the number of true ranges between N satellites is defined as N (N-1) / 2, and the number of unknown coordinates of N satellites is 3N, then the number of satellites necessary and sufficient to solve the problem of determining their current coordinates satisfies the equation:

N(N-1)/2=3N, откуда N=7.N (N-1) / 2 = 3N, whence N = 7.

Т.е. найденное выше число спутников, необходимое и достаточное для решения задачи определения их параметров, позволяет еще дополнительно решать задачу определения их текущих координат непосредственно на борту спутника путем решения системы нелинейных уравнений (6) известными численными методами [ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (Редакция 5.1). 2008. - 74 с.], [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 3-е изд. / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.].Those. the number of satellites found above, which is necessary and sufficient to solve the problem of determining their parameters, allows us to further solve the problem of determining their current coordinates directly on board the satellite by solving a system of nonlinear equations (6) by known numerical methods [GLONASS. Interface control document / Navigation radio signal in the L1, L2 bands with open access and frequency division (Version 5.1). 2008. - 74 p.], [GLONASS. The principles of construction and operation. 3rd ed. / ed. A.I. Perova, V.N. Harisova. M .: Radio engineering, 2005. 688 p.].

Алгоритм технической реализации предложенного способа рассмотрим по шагам на примере спутника 1 (фиг. 1).The algorithm for the technical implementation of the proposed method will be considered in steps using satellite 1 as an example (Fig. 1).

1. Передача навигационных сообщений к спутникам 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇.1. Transmission of navigation messages to satellites 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ .

2. Прием навигационных сообщений от спутников 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇ (выполняется одновременно с п. 1).2. Reception of navigation messages from satellites 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ (performed simultaneously with step 1).

3. Определение псевдодальностей Z₂₁, Z₃₁, Z₄₁, Z₅₁, Z₆₁, Z₇₁ до спутников 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇.3. Determination of pseudorange Z ₂₁ , Z ₃₁ , Z ₄₁ , Z ₅₁ , Z ₆₁ , Z ₇₁ to satellites 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ .

4. Параллельная передача полученных значений псевдодальностей Z₂₁, Z₃₁, Z₄₁, Z₅₁, Z₆₁, Z₇₁ на спутники 1₂, 1₃, 1₄, 1₅, 1₆ и 1₇.4. Parallel transmission of the received pseudorange values Z ₂₁ , Z ₃₁ , Z ₄₁ , Z ₅₁ , Z ₆₁ , Z ₇₁ to satellites 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ , 1 ₅ , 1 ₆ and 1 ₇ .

5. Прием значений псевдодальностей Z₁₂, Z₃₂, Z₄₂, Z₅₂, Z₆₂, Z₇₂ от спутника 2 (выполняется одновременно с п. 4).5. Reception of pseudorange values Z ₁₂ , Z ₃₂ , Z ₄₂ , Z ₅₂ , Z ₆₂ , Z ₇₂ from satellite 2 (performed simultaneously with step 4).

6. Прием значений псевдодальностей Z₁₃, Z₂₃, Z₄₃, Z₅₃, Z₆₃, Z₇₃ от спутника 3 (выполняется одновременно с п. 4).6. Reception of pseudorange values Z ₁₃ , Z ₂₃ , Z ₄₃ , Z ₅₃ , Z ₆₃ , Z ₇₃ from satellite 3 (performed simultaneously with step 4).

7. Прием значений псевдодальностей Z₁₄, Z₂₄, Z₃₄, Z₅₄, Z₆₄, Z₇₄ от спутника 4 (выполняется одновременно с п. 4).7. Reception of pseudorange values Z ₁₄ , Z ₂₄ , Z ₃₄ , Z ₅₄ , Z ₆₄ , Z ₇₄ from satellite 4 (performed simultaneously with step 4).

8. Прием значений псевдодальностей Z₁₅, Z₂₅, Z₄₅, Z₃₅, Z₆₅, Z₇₅ от спутника 5 (выполняется одновременно с п. 4).8. Reception of pseudorange values Z ₁₅ , Z ₂₅ , Z ₄₅ , Z ₃₅ , Z ₆₅ , Z ₇₅ from satellite 5 (performed simultaneously with step 4).

9. Прием значений псевдодальностей Z₁₆, Z₂₆, Z₄₆, Z₃₆, Z₅₆, Z₇₆ от спутника 6 (выполняется одновременно с п. 4).9. Reception of pseudorange values Z ₁₆ , Z ₂₆ , Z ₄₆ , Z ₃₆ , Z ₅₆ , Z ₇₆ from satellite 6 (performed simultaneously with step 4).

10. Прием значений псевдодальностей Z₁₇, Z₂₇, Z₄₇, Z₃₇, Z₆₇, Z₅₇ от спутника 7 (выполняется одновременно с п. 4).10. Reception of pseudorange values Z ₁₇ , Z ₂₇ , Z ₄₇ , Z ₃₇ , Z ₆₇ , Z ₅₇ from satellite 7 (performed simultaneously with step 4).

11. Решение системы уравнений (5) и вычисление истинных дальностей R₁₃, R₂₃, R₁₂, …, R₅₃, R₂₄, R₅₄, погрешностей взаимной синхронизации часов спутников ΔT₁₂, ΔT₁₃, ΔT₁₄, ΔT₁₅, ΔT₁₆, ΔT₁₇, инструментальных погрешностей передатчиков спутников W_S1, W_S2, W_S3, W_S4, W_S5, W_S6, W_S7 и инструментальных погрешностей приемников спутников W_П1, W_П2, W_П3, W_П4, W_П5, W_П6, W_П7.11. The solution of the system of equations (5) and the calculation of the true ranges R ₁₃ , R ₂₃ , R ₁₂ , ..., R ₅₃ , R ₂₄ , R ₅₄ , errors of mutual synchronization of the clocks of satellites ΔT ₁₂ , ΔT ₁₃ , ΔT ₁₄ , ΔT ₁₅ , ΔT ₁₆ , ΔT ₁₇ , instrumental errors of the transmitters of satellites W _S1 , W _S2 , W _S3 , W _S4 , W _S5 , W _S6 , W _S7 and instrumental errors of the receivers of satellites W _P1 , W _P2 , W _P3 , W _P4 , W _P5 , W _P6 , W _P7 .

12. Решение системы уравнений (6) и вычисление текущих координат всех спутников.12. The solution of the system of equations (6) and the calculation of the current coordinates of all satellites.

13. Передача в спутниковом сообщении текущих координат всех спутников, погрешностей взаимной синхронизации часов и значений инструментальных погрешностей передатчиков спутников для последующей корректировки спутниковых измерений (1).13. Transmission in satellite communication of the current coordinates of all satellites, mutual clock synchronization errors and instrumental errors of satellite transmitters for subsequent correction of satellite measurements (1).

14. Комплексная компенсация погрешностей спутникового сообщения в навигационном приемнике.14. Comprehensive compensation of satellite communications errors in the navigation receiver.

Детализируем реализацию п. 14, которая осуществляется следующим образом.We detail implementation of p. 14, which is carried out as follows.

Для решения навигационной задачи спутниковые сообщения принимаются, как правило, не менее, чем от четырех спутников [ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (Редакция 5.1). 2008. - 74 с.], [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 3-е изд. / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.], что позволяет формировать различные линейные комбинации сигналов, принимаемых от разных спутников. Так, разность сигналов псевдодальностей, принятых от двух спутников - i-го и j-го, с учетом (1) имеет вид:To solve the navigation problem, satellite communications are received, as a rule, from at least four satellites [GLONASS. Interface control document / Navigation radio signal in the L1, L2 bands with open access and frequency division (Version 5.1). 2008. - 74 p.], [GLONASS. The principles of construction and operation. 3rd ed. / ed. A.I. Perova, V.N. Harisova. M .: Radio engineering, 2005. 688 pp.], Which allows one to form various linear combinations of signals received from different satellites. So, the difference of the pseudorange signals received from two satellites - i-th and j-th, taking into account (1), has the form:

где принято вытекающее из практики спутниковой навигации допущение об идентичности помех, обусловленных прохождением через ионосферу и тропосферу радиосигналов спутников, находящихся в зоне видимости одного и того же объекта.where the assumption arising from the practice of satellite navigation is accepted that interference is identical due to the passage through the ionosphere and troposphere of the radio signals of satellites located in the field of view of the same object.

Как видно из (7), разность сигналов Z_Ri-Z_Rj=ΔZ_ij любых двух спутников содержит помеховые составляющие ΔT_ij, W_si, W_sj, которые уже известны из принятого спутникового сообщения и могут быть скомпенсированы (и не содержит остальных помех, приведенных в (1): ошибок часов приемника, его инструментальных погрешностей и др.). В результате, обработке-применению стандартной итеративной процедуры решения системы нелинейных уравнений [ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ / Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (Редакция 5.1). 2008. - 74 с.], [ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 3-е изд. / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.] подлежат сигналы (в данном случае не менее трех), содержащие только истинную информацию о координатах объекта:As can be seen from (7), the signal difference Z _Ri -Z _Rj = ΔZ _{ij of} any two satellites contains interference components ΔT _ij , W _si , W _sj , which are already known from the received satellite message and can be compensated (and does not contain other interference, given in (1): receiver clock errors, its instrumental errors, etc.). As a result, processing-application of the standard iterative procedure for solving a system of nonlinear equations [GLONASS. Interface control document / Navigation radio signal in the L1, L2 bands with open access and frequency division (Version 5.1). 2008. - 74 p.], [GLONASS. The principles of construction and operation. 3rd ed. / ed. A.I. Perova, V.N. Harisova. M .: Radio engineering, 2005. 688 p.] Subject to signals (in this case, at least three) containing only true information about the coordinates of the object:

что позволяет существенно повысить общую точность решения навигационной задачи.which allows to significantly increase the overall accuracy of solving the navigation problem.

Предложенный способ определения параметров навигационных спутников с компенсацией погрешностей навигационного приемника позволяет, используя простые методы радио- и лазерных измерений, во-первых, существенно повысить точность синхронизации хода часов на всех навигационных спутниках группировки (что особенно важно для системы ГЛОНАСС, наземные станции синхронизации времени которой расположены только на территории РФ), во-вторых, определять текущие координаты непосредственно на борту спутника, снижая, тем самым, вычислительную нагрузку на приемники потребителей и телеметрических станций слежения, и в-третьих, повысить общую точность решения навигационной задачи за счет компенсации основных помех в принятом навигационном сообщении. При этом также неизбежно увеличение точности определения рассмотренных пространственно-временных параметров в силу большей точности межспутниковых измерений, осуществляемых в космосе, по сравнению с телеметрическими, подверженными влиянию атмосферных возмущений.The proposed method for determining the parameters of navigation satellites with compensation for errors in the navigation receiver allows, using simple methods of radio and laser measurements, firstly, to significantly increase the accuracy of synchronization of the clock on all navigation satellites of the constellation (which is especially important for the GLONASS system, whose ground time synchronization stations located only on the territory of the Russian Federation), and secondly, determine the current coordinates directly on board the satellite, thereby reducing the computational load ku on consumer receivers and telemetry tracking stations, and thirdly, to increase the overall accuracy of navigation by compensating for the major interference in the received navigation message. At the same time, an increase in the accuracy of the determination of the considered spatio-temporal parameters is also inevitable due to the greater accuracy of inter-satellite measurements performed in space, compared with telemetric ones subject to atmospheric disturbances.

Claims

A method for determining the parameters of navigation satellites with compensation for errors in the navigation receiver, which consists in the fact that in a group of seven navigation satellites, the number of which is determined from the condition that the number of measured inter-satellite ranges is equal when the distances between the two satellites are mutual, the number of unknown parameters of the satellites: true distances between satellites, errors of mutual synchronization of the clocks of satellites, instrumental errors of transmitters and receivers of satellites, are realized about simultaneous transmission of navigation messages from each satellite to each and their reception by each satellite from each, determination of inter-satellite pseudoranges and their transmission to all satellites of the group, with the subsequent solution on each satellite of forty-one linear algebraic equations, the number of which is determined by the number of unknown defined parameters: twenty-one true inter-satellite range, six errors of mutual synchronization of the clock of seven satellites, seven instrumental errors of the transmitter s and seven instrumental errors of the receivers of seven satellites, and each of which is a linear dependence of the pseudorange between the respective two satellites on the true distance between them, the errors of mutual synchronization of their clocks and the instrumental errors of their transmitters and receivers; as a result of solving these linear equations on each satellite, the true distances between the satellites, the errors of the mutual synchronization of the satellite clocks, the instrumental errors of the transmitters and receivers of the satellites are determined, after which the errors of the mutual synchronization of the clocks of the satellites and the instrumental errors of their transmitters are transmitted in the navigation messages and compensated in the navigation receiver of the object when determining its coordinates, carried out on the basis of a solution by iterative methods, the system does not its three nonlinear equations, each of which is formed from the difference between the measured pseudorange between the object and the two constellation and represents the radical quadratic dependence of the difference of the true distances between the object and the two satellites from the group of object coordinates in the coordinate system of Greenwich.