RU2684740C1 - Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите - Google Patents

Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите Download PDF

Info

Publication number
RU2684740C1
RU2684740C1 RU2017140942A RU2017140942A RU2684740C1 RU 2684740 C1 RU2684740 C1 RU 2684740C1 RU 2017140942 A RU2017140942 A RU 2017140942A RU 2017140942 A RU2017140942 A RU 2017140942A RU 2684740 C1 RU2684740 C1 RU 2684740C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coordinates
crm
radio signals
time
earth
Prior art date
Application number
RU2017140942A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Николаевич Агиевич
Андрей Валерьевич Бердников
Сергей Геннадьевич Буев
Владимир Михайлович Ватутин
Алексей Николаевич Глуздов
Сергей Александрович Климов
Юрий Иванович Полтавец
Александр Анатольевич Пономарев
Владимир Витальевич Севидов
Михаил Александрович Смирнов
Игорь Святославович Топорков
Максим Владимирович Ширшов
Original Assignee
федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации
Сергей Николаевич Агиевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации, Сергей Николаевич Агиевич filed Critical федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2017140942A priority Critical patent/RU2684740C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2684740C1 publication Critical patent/RU2684740C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/10—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing dedicated supplementary positioning signals
    • G01S19/12—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing dedicated supplementary positioning signals wherein the cooperating elements are telecommunication base stations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0205—Details
    • G01S5/0215—Interference
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0284—Relative positioning
    • G01S5/0289—Relative positioning of multiple transceivers, e.g. in ad hoc networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/24—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts
    • H04B7/26—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile
    • H04B7/2662—Arrangements for Wireless System Synchronisation

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ), и может быть использовано в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для определения местоположения абонентского терминала (AT) по радиосигналам, принятым от Q ≥ 2 спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности определения координат AT за счет более точного определения временных задержек и частотных сдвигов сигналов системы, проведения избыточных измерений при одновременном исключении необходимости ответной передачи тестовых сигналов с AT. Способ основан на размещении комплекса радиоэлектронного мониторинга (КРМ) и М≥2 излучающих опорных реперных станций (ИОРС) на позициях с известными координатами, задании района ведения радиомониторинга (РВРМ), излучении КРМ и m-ми, где m=1…М, ИОРС тестовых радиосигналов в моменты времени t, где n=1…N, N≥1, приеме в КРМ указанных тестовых радиосигналов после их ретрансляции q-ми, где q=1…Q, спутниками-ретрансляторами, определении канонических параметров (КП) спутников-ретрансляторов в моменты времени t, выборе в качестве поверхности земли сферы с радиусом, рассчитываемым на основе средней широты РВРМ, и последующем расчете координат AT х, y, z. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 прил.

Description

Способ относится к радиотехнике, а именно к способам определения местоположения источников радиоизлучения, и может быть использован для определения местоположения абонентского терминала (AT) спутниковой связи посредством приема и обработки его сигналов принятых от спутников-ретрансляторов (CP) на низкой околоземной орбите.
Известен способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов [1]. Указанный способ заключается в том, что на основе измерений временных задержек и частотных сдвигов между переданными и принятыми тестовыми сигналами системы, с учетом известных координат первого и второго спутников-ретрансляторов CP1, СР2, векторов их скоростей
Figure 00000001
,
Figure 00000002
, координат узла межсетевого сопряжения (УМС) и предварительно заданных частот конвертирования
Figure 00000003
,
Figure 00000004
рабочих частот СР1 СР2, вычисляют широту ϕПТ и долготу λПТ пользовательского терминала (ПТ).
Для реализации указанного известного способа выполняют следующие действия:
определяют расстояние
Figure 00000005
между первым CP1 и ПТ;
определяют расстояние
Figure 00000006
между вторым СР2 и ПТ;
измеряют модуль
Figure 00000007
, азимут αПТ вектора скорости пользовательского терминала и его высоту hПТ относительно земной поверхности;
вычисляют в УМС доплеровские сдвиги частот
Figure 00000008
и
Figure 00000009
первого и второго узкополосных тестовых сигналов, обусловленные радиальными скоростями ПТ относительно CP1 и СР2, для чего предварительно определяют вероятные местоположения ПТ с учетом известных координат СР1 СР2 и определенных параметров
Figure 00000010
и
Figure 00000011
;
определяют, по меньшей мере, один из параметров: радиальную скорость
Figure 00000012
перемещения первого CP1 относительно ПТ, и/или радиальную скорость
Figure 00000013
перемещения второго СР2 относительно ПТ, с учетом доплеровских сдвигов частот
Figure 00000014
и
Figure 00000015
;
вычисляют широту ϕПТ и долготу λПТ ПТ.
Недостатками способа определения местоположения ПТ с использованием двух спутников-ретрансляторов [1] являются:
длительное время определения координат ЗС, связанное с необходимостью проведения дополнительных измерений модуля, азимута вектора скорости ПТ и его высоты относительно земной поверхности,
необходимость ответной передачи тестовых сигналов с ПТ, чьи координаты необходимо определить в УМС через СР.
Известен способ определения местоположения земной станции спутниковой связи [2], заключающийся в том, что координаты земной станции (ЗС) определяют на основе анализа условий распространения радиоволн на трассе ЗС-СР. Падение уровня сигналов связывают с ослаблением при прохождении трассы ЗС-СР через области объемно распределенных гидрометеоров (ООРГ). Выявляют сходство замираний амплитуды между искомой и хотя бы одной из опорных ЗС.
Для реализации указанного известного способа выполняют следующие действия:
принимают и измеряют параметров ретранслируемых сигналов земных станций спутниковой связи на станции спутникового радиоконтроля (ССРК), в дискретные моменты времени;
измеряют уровни ретранслируемых сигналов от одновременно работающих через CP опорных земных станций (ОЗС) спутниковой связи с известными географическими координатами и искомой ЗС;
регистрируют результаты измерений в виде последовательностей дискретных отсчетов, равных уровням сигналов;
с помощью визуального анализа этих зависимостей выявляют долговременные циклические повторения падения уровня сигналов на фоне короткоживущих высокочастотных компонентов;
связывают падение уровня сигналов с их ослаблением при прохождении трасс ЗС-СР через области ООРГ;
выявляют сходства падений уровней сигналов между искомой ЗС и хотя бы одной из ОЗС;
причиной данного сходства считают прохождение трасс ЗС-СР и ОЗС-СР через одну и ту же область ООРГ с ограниченным размером занимаемого пространства;
в качестве условия прохождения разных трасс ЗС-СР через ООРГ с такими характеристиками принимают территориальную близость ЗС и ОЗС;
определяют привязкой к географическим координатам выявленной ОЗС район наиболее вероятного местоположения искомой ЗС;
осуществляют окончательный поиск и локализацию искомой ЗС относительно выявленной ОЗС в радиусе горизонтальной протяженности проекции локальной однородной ООРГ на Землю.
К недостаткам способа определения местоположения земной станции спутниковой связи [2] относят:
длительное время определения координат ЗС, связанное с необходимостью многократного измерения уровней ретранслируемых сигналов ЗС и множества ОЗС, поиска вероятных ООРГ и взаимного сравнения результатов измерения;
высокую стоимость устройства, реализующего способ, обусловленную необходимостью размещения на борту навигационных CP дополнительных передатчиков, приемников, а также аппаратуры обработки информации.
Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по технической сущности является система, способ и пользовательский терминал в системе однозначного определения местоположения с использованием двух спутников на низкой околоземной орбите [3]. Для реализации данного способа выполняют следующую последовательность действий:
определяют параметр дальности, представляющий собой расстояние между одним из CP и AT,
определяют параметр разности дальностей, представляющий собой разность расстояний одного и другого CP от AT,
определяют по меньшей мере один из следующих параметров: параметр скорости изменения дальности, представляющий собой радиальную скорость одного из CP относительно AT, параметр разность скоростей изменения дальностей, представляющий собой разность радиальных скоростей одного и другого CP относительно AT,
упомянутый параметр дальности определяют по задержке распространения сигнала, так что этап определения параметра дальности дополнительно включает этап измерения в УМС задержки распространения сигнала от этого узла к AT через один из CP и ретрансляции сигнала от AT к УМС через один из CP,
упомянутый параметр разности дальностей определяют по разности задержек распространения сигнала, так что этап определения параметра разности дальностей дополнительно включает этап измерения в AT разности задержек между первым сигналом, принятым от УМС через один из CP, и вторым сигналом, принятым от УМС через другой CP,
один из двух указанных сигналов предварительно корректируют по времени для компенсации задержек, связанных с разностью расстояний одного и другого CP от УМС, а в УМС предварительно настраивают разность задержек для компенсации задержек, связанных с разностью расстояний одного и другого CP от УМС,
этап определения параметра скорости изменения дальности дополнительно включает этап измерения в AT частоты первого сигнала, принимаемого от УМС через один из CP, этап передачи результата частотного измерения первого сигнала в УМС, этап передачи второго сигнала от AT к УМС через один из CP и этап измерения в УМС частоты второго сигнала, принимаемого от AT через один из CP, причем указанный параметр скорости изменения дальности представляет собой результат измерения частоты первого и второго сигналов,
этап определения параметра разности скоростей изменения дальностей включает этап передачи первого сигнала из УМС к AT через один из CP и передачи второго сигнала из УМС к AT через другой CP, а также этап измерения в AT разности частот первого сигнала и второго сигнала,
по меньшей мере один из двух указанных сигналов предварительно корректируют по частоте для компенсации доплеровского сдвига, обусловленного разностью радиальных скоростей одного и другого CP относительно УМС, а в УМС настраивают разность частот для компенсации доплеровских сдвигов, обусловленных разностью радиальных скоростей одного и другого CP относительно УМС,
определяют положения AT на поверхности Земли на основе известных местоположений и известных скоростей спутников-ретрансляторов, а также указанных параметра дальности, параметра скорости изменения дальностей и по меньшей мере одного из упомянутых параметров разности дальностей и разности скоростей изменения дальностей.
Недостатками способа прототипа являются:
относительно невысокая точность определения координат AT;
необходимость ответной передачи тестовых сигналов с AT, чьи координаты необходимо определить в КРМ через СР.
Целью изобретения является разработка способа определения местоположения AT с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов (Q ≥2) на низкой околоземной орбите, обеспечивающего более высокую точность определения координат AT за счет более точного определения временных задержек и частотных сдвигов сигналов системы, проведения избыточных измерений и одновременно исключающего необходимость ответной передачи тестовых сигналов с AT.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения местоположения AT с помощью Q ≥2, где - число используемых CP на низкой околоземной орбите включающим: размещение комплекса радиоэлектронного мониторинга (КРМ), содержащего приемную и передающую аппаратуру, на позиции с известными координатами xК, уК, zK, выбор в качестве объекта радиоэлектронного мониторинга два CP S1 и S2 с известными номиналами частот конвертирования
Figure 00000016
и
Figure 00000017
соответственно, излучения с помощью аппаратуры КРМ тестовых радиосигналов с номиналами средних частот (НСЧ)
Figure 00000018
и
Figure 00000019
в направлении на первый и второй CP соответственно в момент времени t1 измерение в КРМ НСЧ
Figure 00000020
и
Figure 00000021
реализации радиосигнала принятого от AT через первый и второй CP соответственно в моменты времени
Figure 00000022
и
Figure 00000023
, расчет разности дальностей
Figure 00000024
от первого и второго CP до AT на основе запомненных значений моментов времени
Figure 00000025
и
Figure 00000026
, расчет разности радиальных скоростей
Figure 00000027
первого и второго CP относительно AT на основе запомненных значений НСЧ
Figure 00000028
и
Figure 00000029
, вычисление местоположения AT на поверхности земли по известным координатам КРМ xК, уК, zK, номиналам частот конвертирования
Figure 00000030
и
Figure 00000031
, а также рассчитанным разности дальностей
Figure 00000032
и разности радиальных скоростей
Figure 00000033
в момент времени t1, дополнительно устанавливают на земной поверхности М≥2 излучающих опорных реперных станции (ИОРС) на позициях с известными координатами хIm, уIm, zIm, где m=1…М-номер ИОРС.
Для выбора Q≥2 CP с известными номиналами частот конвертирования
Figure 00000034
в качестве объектов радиоэлектронного мониторинга предварительно задают район ведения радиомониторинга (РВРМ), как область на поверхности земли, в которой необходимо определить местоположение AT и выбирают n-е моменты времени tn, где n=1…N, N≥1, при которых зоны освещенности q-x CP охватывают и КРМ, и РВРМ, и позиции всех m-х ИОРС.
Определяют n-e, канонические параметры (КП) q-x CP, включающие координаты CP
Figure 00000035
,
Figure 00000036
,
Figure 00000037
и ортогональные составляющие вектора его скорости
Figure 00000038
,
Figure 00000039
,
Figure 00000040
на основе излучения тестовых радиосигналов КРМ и m-ми ИОРС в моменты времени tn в направления на q-e CP и их последующего приема КРМ после переизлучения указанными СР.
Измеряют в КРМ номиналы средних частот
Figure 00000041
(q≠1, q≠2 при n=1) реализаций радиосигналов принятых от AT через q-e CP соответственно в моменты времени
Figure 00000042
.
Рассчитывают N × (Q-1) разностей дальностей
Figure 00000043
, где g=1…Q,
g≠q от q-го и q-го CP до AT на основе координат КРМ хК, уК zК, координат q-x
и g-x CP, запомненных значений моментов времени
Figure 00000044
.
Рассчитывают N × (Q - 1) разностей радиальных скоростей
Figure 00000045
, g≠q между q-м и g-м CP относительно AT на основе координат КРМ хК, уК, zK, КП q-x и g-x CP, номиналов частот конвертирования
Figure 00000046
, запомненных значений НСЧ
Figure 00000047
.
Выбирают в качестве поверхности земли сферу с радиусом
Figure 00000048
, рассчитываемым на основе средней широты РВРМ ϕА.
Определяют местоположение AT на поверхности земли с использованием n-х КП q-x CP, N×(Q-1) разностей дальностей
Figure 00000049
, N × (Q - 1) разностей радиальных скоростей
Figure 00000050
и радиуса сферы поверхности земли
Figure 00000051
.
В свою очередь, для определения n-х КП q-x CP в моменты времени tn, предварительно излучают с помощью аппаратуры КРМ тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000052
(q≠1, q≠2 при n-1) в направления на q-e CP в моменты времени tn. Излучают m-ми ИОРС тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000053
в направления на q-e CP в моменты времени tn.
Принимают с помощью КРМ переизлученпые q-ми CP тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000054
и
Figure 00000055
в моменты времени
Figure 00000056
и
Figure 00000057
соответственно.
Передают в КРМ НСЧ тестовых радиосигналов
Figure 00000058
от m-х ИОРС.
Определяют задержки во времени
Figure 00000059
и
Figure 00000060
между излученными и принятыми тестовыми радиосигналами.
Измеряют наклонные дальности от q-x CP до КРМ
Figure 00000061
и до m-х ИОРС
Figure 00000062
соответствующие моментам времени tn.
Рассчитывают координаты q-x CP
Figure 00000063
,
Figure 00000064
,
Figure 00000065
в моменты времени tn по известным координатам КРМ и m-х ИОРС, а также измеренным наклонным дальностям
Figure 00000066
, и
Figure 00000067
.
Измеряют радиальные скорости q-x CP относительно КРМ
Figure 00000068
и m-х ИОРС
Figure 00000069
в моменты времени tn на основе известных координат КРМ и m-х ИОРС, рассчитанных координат q-x CP
Figure 00000070
,
Figure 00000071
,
Figure 00000072
, а также запомненных НСЧ переданных
Figure 00000073
,
Figure 00000074
и принятых
Figure 00000075
и
Figure 00000076
тестовых радиосигналов.
Вычисляют ортогональные составляющие векторов скорости q-x CP
Figure 00000077
,
Figure 00000078
,
Figure 00000079
в моменты времени tn используя известные координаты КРМ и m-х ИОРС, вычисленные координаты q-x CP
Figure 00000080
,
Figure 00000081
,
Figure 00000082
и измеренные радиальные скорости
Figure 00000083
и
Figure 00000084
.
В качестве n-х КП q-x CP принимают совокупности координат q-x CP
Figure 00000085
,
Figure 00000086
,
Figure 00000087
и ортогональных составляющих векторов их скоростей
Figure 00000088
,
Figure 00000089
,
Figure 00000090
в моменты времени tn.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков, при использовании тестовых радиосигналов МИОРС на позициях с известными координатами достигается цель изобретения: обеспечение высокой точности определения координат AT за счет более точного определения временных задержек и частотных сдвигов сигналов системы, проведения избыточных измерений и одновременно исключающего необходимость ответной передачи тестовых сигналов с AT.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - типовая схема ведения радиомониторинга,
на фиг. 2 - схема подсистемы определения координат CP
Figure 00000091
,
Figure 00000092
,
Figure 00000093
в моменты времени tn,
на фиг. 3 - схема алгоритма определения координат CP
Figure 00000094
,
Figure 00000095
,
Figure 00000096
в моменты времени tN при использовании двух ИОРС,
на фиг. 4 - схема подсистемы определения ортогональных составляющих вектора скорости CP
Figure 00000097
,
Figure 00000098
,
Figure 00000099
в моменты времени tn,
на фиг. 5 - топология размещения КРМ и МИОРС.
Для реализации заявленного способа определения местоположения AT используют Q≥2 CP, а измерения проводят в моменты времени tn где n=1…N, a N≥1 - номер временного отсчета, соответствующих положению CP, при котором и КРМ, и РВРМ, и позиции всех М ИОРС находились бы в зоне радиовидимости (ЗРВ) указанных СР.
На фиг. 1 представлена типовая схема ведения радиомониторинга включающая Q≥2 CP в моменты времени tn, КРМ К, AT А. Каждая позиция каждого CP обозначена буквой S с нижним индексом, обозначающим номер CP q=1…Q и верхним индексом, обозначающим номер момента времени n=1…N. Показаны позиции только 1-го и Q-гo CP в моменты времени t1 и tN
Figure 00000100
,
Figure 00000101
,
Figure 00000102
и
Figure 00000103
соответственно, остальные позиции q-x CP в остальные n-е моменты времени предполагаются и показаны троеточиями.
На фиг. 1 введены следующие обозначения:
Figure 00000104
,
Figure 00000105
- расстояния от КРМ до 1 - го CP в моменты времени t1 и tN;
Figure 00000106
,
Figure 00000107
,
Figure 00000108
- расстояния от AT до 1-го CP в моменты времени t1 и tN;
Figure 00000109
,
Figure 00000110
,
Figure 00000111
,
Figure 00000112
- векторы скорости 1-го и Q-гo CP в моменты времени t1 и tN;
Figure 00000113
,
Figure 00000114
,
Figure 00000115
,
Figure 00000116
- радиальные скорости 1-го и Q-го CP относительно КРМ в моменты времени t1 и tN;
Figure 00000117
,
Figure 00000118
,
Figure 00000119
,
Figure 00000120
- радиальные скорости 1-го и Q-го CP относительно AT в моменты времени t1 и tN.
КРМ является стационарным, его координаты хК, уК, zK, считают известными.
Предполагают, что AT размещен в предварительно выбранном РВРМ.
Заявленный способ определения местоположения AT основан на использовании n-х КП q-x CP в различные моменты времени tn, что накладывает требования к точности определения указанных n-х КП q-x СР.
Теория полета CP, или, как ее еще называют, астродинамика, небесная механика, космическая баллистика, основана на законах И. Кеплера и законе всемирного тяготения И. Ньютона.
В первом приближении движение CP представляется как невозмущенное - такое движение, которое происходило бы только под влиянием силы притяжения Земли по закону Ньютона, т.е. точно соответствует задаче двух тел (Земля - CP) в небесной механике. Это движение называется движением по Кеплеровой орбите, так как подчиняется трем законам Кеплера [4].
Достоинством Кеплеровых орбит является простота вычисления координат и вектора скорости q-x CP в прогнозируемые моменты времени. Это предопределило широкое использование элементов Кеплеровых орбит. В настоящем изобретении с помощью этих элементов выбирают q-e CP в качестве объекта радиоэлектронного мониторинга и выбирают n-е моменты времени tn, соответствующие положению CP, при котором и КРМ, и РВРМ, и позиции всех МИОРС находились бы в ЗРВ указанных СР.
Кроме того элементы Кеплеровых орбит q-x CP служат для ориентирования приемных и передающих антенн КРМ, а также передающих антенн всех М ИОРС на выбранные CP при передаче и приеме тестовых радиосигналов и приема радиосигналов AT, ретранслированных q-ми СР.
Недостатком Кеплеровых орбит является относительно низкая точность определения координат и векторов скорости q-x CP, которая в большинстве случаев недостаточна для реализации заявленного способа определения местоположения AT с помощью Q≥2 CP на низкой околоземной орбите.
Более точно n-e КП q-x CP, включающие координаты
Figure 00000121
,
Figure 00000122
,
Figure 00000123
и ортогональные составляющие вектора скорости
Figure 00000124
,
Figure 00000125
,
Figure 00000126
в моменты времени tn, определяют по радиосигналам ИОРС, размещенных на позициях с известными координатами [5].
На фиг. 2 и фиг. 4 представлены схемы подсистем определения координаты q-x CP
Figure 00000127
,
Figure 00000128
,
Figure 00000129
и ортогональных составляющих вектора его скорости
Figure 00000130
,
Figure 00000131
,
Figure 00000132
в моменты времени tn. Эти подсистемы состоят из КРМ и М≥2 ИОРС Im, размещенных на позициях с известными координатами
Figure 00000133
,
Figure 00000134
,
Figure 00000135
, где m=1…М - номер ИОРС.
На фиг. 2 введены обозначения:
Figure 00000136
- расстояния между q-ми CP и КРМ,
Figure 00000137
- расстояния между q-м CP и 1-й ИОРС,
Figure 00000138
- расстояния между q-м CP и М-й ИОРС в моменты времени tn.
На фиг. 4 дополнительно введены обозначения:
Figure 00000139
- векторы скоростей q-x CP,
Figure 00000140
- углы между векторами
Figure 00000141
и направлениями на КРМ,
Figure 00000142
- углы между векторами
Figure 00000143
и направлениями на 1-ю ИОРС,
Figure 00000144
- углы между векторами
Figure 00000145
и направлениями на М-ю ИОРС,
Figure 00000146
- радиальные скорости q-x CP относительно КРМ,
Figure 00000147
- радиальные скорости q-x CP относительно 1-й ИОРС,
Figure 00000148
- радиальные скорости q-x CP относительно М-й ИОРС, в моменты времени tn.
Синхронность работы передатчиков КРМ и М ИОРС обеспечивают за счет использования меток времени высокостабильного генератора частот.
Для определения n-х КП q-x CP в момент времени tn используют временные задержки и частотные сдвиги тестовых радиосигналов [6].
В моменты времени tn синхронно излучают тестовые радиосигналы КРМ и М ИОРС с НСЧ
Figure 00000149
и
Figure 00000150
соответственно. Далее принимают в КРМ переизлученные CP тестовые радиосигналы в моменты времени
Figure 00000151
и
Figure 00000152
с НСЧ
Figure 00000153
и
Figure 00000154
. Определяют в КРМ задержки во времени
Figure 00000155
и
Figure 00000156
между излученными и принятыми тестовыми радиосигналами:
Figure 00000157
На основе полученных задержек во времени
Figure 00000158
и
Figure 00000159
измеряют наклонные дальности от q-x CP до КРМ
Figure 00000160
и наклонные дальности от q-x CP до каждой из М ИОРС
Figure 00000161
для каждого момента времени tn:
Figure 00000162
где с=3×108 м/с - скорость света в вакууме.
С помощью полученных наклонных дальностей
Figure 00000163
и
Figure 00000164
определяют координаты q-x CP
Figure 00000165
,
Figure 00000166
,
Figure 00000167
в моменты времени tn.
Для одномоментного и однозначного определения координат q-x CP
Figure 00000168
,
Figure 00000169
,
Figure 00000170
в каждый момент времени tn, необходимо и достаточно измерить минимум три наклонные дальности, например,
Figure 00000171
,
Figure 00000172
и
Figure 00000173
, следовательно, конфигурация подсистемы определения координат q-x CP должна включать минимум две ИОРС I1 и I2.
В качестве примера, для частного случая, когда количество ИОРС равно двум (М=2), в приложении А представлена аналитическая интерпретация алгоритма определения координат Q-гo CP
Figure 00000174
,
Figure 00000175
,
Figure 00000176
в момент времени tN. Алгоритмы определения координат q-x CP
Figure 00000177
,
Figure 00000178
,
Figure 00000179
в моменты времени tn аналогичны алгоритму представленному в приложении А.
Дальнейшее увеличение количества ИОРС (М≥3) приводит к повышению точности определения координат q-x CP, но и к сопутствующему увеличению суммарной стоимости устройства, реализующего заявленный способ.
Алгоритм определения координат CP при использовании М≥3 ИОРС будет отличаться от алгоритма, описанного в приложении А, тем, что система (А.1), составляемая на этапе 6 приложения А, будет содержать М+1 (более четырех) линейных уравнений с тремя неизвестными. Тогда систему (А.1) решают одним из известных численных методов, например, методом наименьших квадратов.
Для одномоментного и однозначного определения ортогональных составляющих вектора скорости q-x CP
Figure 00000180
,
Figure 00000181
,
Figure 00000182
в каждый момент времени tn, необходимо и достаточно измерить минимум три радиальные скорости, например,
Figure 00000183
,
Figure 00000184
и
Figure 00000185
, следовательно, конфигурация подсистемы определения ортогональных составляющих вектора скорости CP должна включать минимум две ИОРС I1 и I2.
В качестве примера, для частного случая, когда количество ИОРС равно двум (М=2), в приложении Б представлена аналитическая интерпретация алгоритма определения ортогональных составляющих вектора скорости Q-го CP
Figure 00000186
,
Figure 00000187
,
Figure 00000188
в момент времени tN. Алгоритмы определения ортогональных составляющих векторов скорости q-x CP
Figure 00000189
,
Figure 00000190
,
Figure 00000191
в моменты времени аналогичны алгоритму представленному в приложении Б.
Дальнейшее увеличение количества ИОРС (М≥3) приводит к повышению точности определения ортогональных составляющих вектора скорости CP, но и к сопутствующему увеличению суммарной стоимости устройства, реализующего заявленный способ.
Алгоритм определения ортогональных составляющих вектора скорости CP при использовании М≥3 ИОРС будет отличаться от алгоритма, описанного в приложении Б, тем, что система (Б.8), составляемая на этапе 3 в приложения Б, будет содержать М+1 (более четырех) линейных уравнений с тремя неизвестными. Тогда систему (Б.8) решают одним из известных численных методов, например, методом наименьших квадратов.
В качестве n-х КП q-x CP в моменты времени tn принимают совокупности координат q-x CP
Figure 00000192
,
Figure 00000193
,
Figure 00000194
и ортогональных составляющих векторов их скоростей
Figure 00000195
,
Figure 00000196
,
Figure 00000197
.
Определение местоположения AT (расчет координат хА, уА, zA) в КРМ по заявляемому способу основывается на измерении НСЧ радиосигналов
Figure 00000198
, принятых от AT через q-e CP в моменты времени
Figure 00000199
.
Моменты времени
Figure 00000200
близкие между собой и моментами времени tn для каждого из n, но отличаются за счет разности траекторий
Figure 00000201
. Такие различия служат для расчета разностей N×Q дальностей
Figure 00000202
, где g=1…Q, g≠q от q-гo и g-гo CP до AT на основе координат КРМ хК, уК, zK, координат q-x и g-x CP, запомненных значений моментов времени
Figure 00000203
.
Предполагают, что AT в моменты времени tn излучает в направлении на q-e CP радиосигналы с постоянным НСЧ равным ƒА, однако, в КРМ этот НСЧ не известен.
НСЧ радиосигналов AT в моменты времени tn претерпевают следующие сдвиги на трассе
Figure 00000204
:
доплеровские сдвиги НСЧ радиосигналов AT на входе q-x CP
Figure 00000205
за счет его сближения (удаления) с (от) AT;
сдвиги НСЧ радиосигналов AT на предварительно заданную величину номинала частоты конвертирования
Figure 00000206
;
доплеровские сдвиги НСЧ радиосигналов AT на выходе q-x CP
Figure 00000207
за счет его сближения (удаления) с (от) К.
Считают, что нестабильность генератора частот CP в моменты времени tn известна и возможна ее компенсация. Влияние других эффектов на изменение частоты, например гравитационный и релятивистский эффекты в рамках рассматриваемого способа пренебрежимо малы и поэтому не учитывают.
Доплеровские сдвиги НСЧ радиосигналов AT на выходе q-x CP
Figure 00000208
за счет его сближения (удаления) с (от) К, рассчитываются на основе известных координат КРМ хК, уК, zK и КП CP определенных n-х КП СР.
В свою очередь доплеровские сдвиги НСЧ радиосигналов AT на входе CP
Figure 00000209
за счет сближения (удаления) CP с (от) AT используют для расчета N × Q разностей радиальных скоростей
Figure 00000210
, g≠q между q-м и g-м CP относительно AT на основе координат КРМ хК, уК, zK, КП q-x и g-x CP, номиналов частот конвертирования
Figure 00000211
, запомненных значений НСЧ
Figure 00000212
.
В качестве модели поверхности Земли выбирают сферу с переменным радиусом [8], зависящим от широты и определяемым из известного соотношения, который в РВРМ будет равен
Figure 00000213
, где
Figure 00000214
=6 378 136 м - большая полуось эллипсоида Земли;
Figure 00000215
радиус Земли на полюсе;
Figure 00000216
- эксцентриситет эллипсоида Земли; λ3=1/298,257 84 - сжатие эллипсоида Земли, ϕА - средняя широта РВРМ.
На завершающем этапе рассчитывают координаты AT хА, уА, zA с использованием n-х КП q-x CP, N × (Q- 1) разностей дальностей
Figure 00000217
, N×(Q-1) разностей радиальных скоростей
Figure 00000218
и радиуса сферы поверхности земли
Figure 00000219
.
Для одномоментного и однозначного определения местоположения AT (расчета координат AT хА, уА, zA) на поверхности земли в ЗРВ, т.е. на сфере с радиусом
Figure 00000220
с помощью заявленного способа необходимо и достаточно предварительно вычислить минимум одну разность дальностей
Figure 00000221
и одну разность радиальных скоростей
Figure 00000222
, следовательно, требуется наличие двух CP (Q=2) и проведение измерений в один момент времени (N=1).
В качестве примера реализации заявленного способа в приложении В приводится аналитическая интерпретация алгоритма определения местоположения AT с помощью двух CP на низкой околоземной орбите для N=1, то есть для момента времени t1. В указанном примере в качестве опорных выбраны первые 1-й и 2-й CP для момента времени t1.
Дальнейшее увеличение количества используемых CP (Q≥2) и/или количества измерений (N≥2) приводит к повышению точности определения местоположения AT, но и к сопутствующему увеличению суммарной стоимости устройства, реализующего заявленный способ.
Алгоритм определения местоположения AT с помощью Q≥2 CP на низкой околоземной орбите для N≥1 моментов измерения будет аналогичен алгоритму, описанному в приложении В, с той лишь разницей, что система уравнений (В. 12), будет содержать более трех уравнений второго порядка с тремя неизвестными. Это в свою очередь приведет к тому, что последующая система линейных уравнений (В. 15) с тремя неизвестными будет включать более четырех уравнений. Тогда систему (В. 15) решают одним из известных численных методов, например, методом наименьших квадратов.
На точность определения местоположения AT с помощью заявленного способа оказывают влияние множество факторов, основными из которых являются:
количества используемых CP - Q;
топология размещения CP в моменты времени tn;
количество установленных на земной поверхности ИОРС - М;
топология размещения КРМ и m-х ИОРС;
точность синхронизации излучений КРМ и m-х ИОРС;
количество проводимых измерений N;
временные интервалы между моментами времени tg и
Figure 00000223
;
погрешности измерения НСЧ переданных и принятых тестовых радиосигналов и принятых радиосигналов от AT;
Увеличение количества установленных на земной поверхности М ИОРС приводит к повышению точности определения координат q-x CP
Figure 00000224
,
Figure 00000225
,
Figure 00000226
и ортогональных составляющих их векторов скорости
Figure 00000227
,
Figure 00000228
,
Figure 00000229
в каждый моменты времени tn. Это в свою очередь способствует повышению точности определения местоположения AT.
Под топологией размещения КРМ и m-х ИОРС понимают совокупность таких параметров, как 1) расстояния между КРМ и m-ми ИОРС
Figure 00000230
, 2) величины углов
Figure 00000231
, образованных отрезками
Figure 00000232
и
Figure 00000233
, На фиг. 5, в качестве примера, представлена топология КРМ и М ИОРС, а также показаны расстояния
Figure 00000234
,
Figure 00000235
. и угол
Figure 00000236
. Для повышения точности определения местоположения AT необходимо увеличивать расстояния
Figure 00000237
и увеличивать углы
Figure 00000238
.
Высокую точность синхронизации излучений КРМ и m-х ИОРС и низкую погрешности измерения НСЧ переданных и принятых тестовых радиосигналов и принятых радиосигналов от AT обеспечивают за счет использования высокоточных генераторов частот в КРМ и m-х ИОРС.
При выборе количества проводимых измерений N и связанных с ним временных интервалов между моментами времени tg и
Figure 00000223
решают противоречивую задачу: с одной стороны количество проводимых измерений необходимо увеличивать с целью повышения точности определения местоположения AT; с другой стороны увеличение проводимых измерений снижает производительность КРМ.
Произведено имитационное моделирование заявленного способа определения местоположения абонентского терминала с помощью одного спутника-ретранслятора на низкой околоземной орбите и способа-прототипа с помощью разработанных программ на ЭВМ [9, 10] при одинаковых исходных данных.
Результаты моделирования свидетельствуют о существенном повышении точности определения местоположения AT с помощью заявленного способа по сравнению со способом прототипом на 40…60% (в зависимости от топологии размещения КРМ, Q CP и М ИОРС, а также количества проведенных измерений N), при одновременном исключении необходимости ответной передачи тестовых сигналов с AT, что указывает на возможность достижения технического результата при использовании заявленного технического решения.
Источники информации
1. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов. Патент RU №2 605 457, опубл. 20.12.2016 Бюл. №35.
2. Басукинский А.Б., Кизима С.В., Лисица Г.В., Митченков С.Г. Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи. Патент RU №2 442 996, опубл. 20.02.2012 Бюл. №5.
3. Леванон Н., Виктор Э.Б., Вембу Ш. Система, способ и пользовательский терминал в системе однозначного определения местоположения с использованием двух спутников на низкой околоземной орбите. Патент RU №2 256 935, опубл. 20.07.2005 Бюл. №20.
4. Абалакин В.К. Астрономический календарь. Постоянная часть. - М.: Наука, 1981.-704 с.
5. Волков Р.В., Малышев С.Р., Симонов А.Н., Севидов В.В. Определение канонических параметров спутников-ретрансляторов по радиосигналам опорных реперных станций // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2016. Вып. 655. С. 88-92.
6. Кельян А.Х., Чемаров А.О., Волков Р.В., Севидов В.В. Определение параметров движения летательного аппарата системой геолокации по излучениям находящейся на его борту станции спутниковой связи // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. №5. С. 10-14.
7. Волков Р.В., Саяиин В.Н., Севидов В.В. Модель измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора при определении местоположения земной станции // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.2016. Том 10. №9. С. 14-18.
8. Богдановский С.В., Волков Р.В., Севидов В.В., Теслевич С.Ф. Модель поверхности Земли при определении местоположения земной станции по сигналам спутников-ретрансляторов // Наукоемкие технологии. 2016. №12. С. 44-50.
9. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Модель движения искусственного спутника Земли // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. 2016. №2. С. 112.
10. Севидов В.В. Определение координат и параметров движения источника радиоизлучения на основе разностно-временных и разностно-доплеровских измерений // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. 2015. №11. С. 2.
Приложение А
Алгоритм определения координат спутника-ретранслятора при использовании двух ИОРС
Для расчета координат Q-гo CP
Figure 00000239
,
Figure 00000240
,
Figure 00000241
в момент времени tN, когда количество ИОРС равно двум (М=2) разработан алгоритм, схема которого представлена на фиг. 3.
На этапе 1 производят ввод исходных данных, в качестве которых выступают координаты КРМ хК, уК, zK; координаты двух ИОРС
Figure 00000242
,
Figure 00000243
,
Figure 00000244
и
Figure 00000245
,
Figure 00000246
,
Figure 00000247
; временные задержки между излученными КРМ, двумя ИОРС и принятыми КРМ тестовыми радиосигналами
Figure 00000248
,
Figure 00000249
и
Figure 00000250
, предварительно определенные в соответствии с формулами (1); порог точности δ0 расчета координат Q-гo СР.
На этапе 2 рассчитывают расстояния
Figure 00000251
,
Figure 00000252
и
Figure 00000253
по формулам (2).
На этапе 3 выбирают, на основе элементов Кеплеровой орбиты Q-гo CP, координаты опорной точки
Figure 00000254
,
Figure 00000255
,
Figure 00000256
.
На этапе 4 рассчитывают расстояния
Figure 00000257
,
Figure 00000258
и
Figure 00000259
, при условии равенства координат Q-гo CP координатам опорной точки
Figure 00000260
,
Figure 00000261
,
Figure 00000262
по формулам
Figure 00000263
,
Figure 00000264
,
Figure 00000265
.
На этапе 5 вычисляют невязки w1, w2 и w3 как разницы между расстояниями
Figure 00000266
,
Figure 00000267
,
Figure 00000268
, рассчитанными на этапе 4, и расстояниями
Figure 00000269
,
Figure 00000270
,
Figure 00000271
, рассчитанными на этапе 2 соответственно
Figure 00000272
,
Figure 00000273
,
Figure 00000274
.
На этапе 6 получают поправки к координатам Q-гo CP
Figure 00000275
,
Figure 00000276
,
Figure 00000277
для чего предварительно формируют систему линейных уравнений путем разложении в ряд Тейлора функций
Figure 00000278
,
Figure 00000279
,
Figure 00000280
, с точностью до первых членов, где в качестве переменных выступают поправки к координатам Q-гo CP
Figure 00000281
,
Figure 00000282
,
Figure 00000283
:
Figure 00000284
где частные производные, в свою очередь, рассчитываются согласно выражениям
Figure 00000285
,
Figure 00000286
,
Figure 00000287
,
Figure 00000288
,
Figure 00000289
,
Figure 00000290
,
Figure 00000291
,
Figure 00000292
,
Figure 00000293
.
Решают систему линейных уравнений (А.1) одним из известных методов, например методом Крамера, получают поправки к координатам Q-го CP
Figure 00000294
,
Figure 00000295
,
Figure 00000296
.
На этапе 7 рассчитывают координаты новой опорной точки
Figure 00000297
,
Figure 00000298
,
Figure 00000299
:
Figure 00000300
,
Figure 00000301
,
Figure 00000302
.
Этапы 4…7 в совокупности составляют первую итерацию. Далее итерации повторяют, используя каждый раз координаты новой опорной точки, рассчитанные на предыдущей итерации. Количество необходимых итераций зависит требуемой точности определения координат Q-гo СР. С точностью определения координат Q-гo CP напрямую связан шаг итерации dш.
На этапе 8 определяют шаг итерации dш как расстояние между текущей и предыдущей опорными точками:
Figure 00000303
На этапе 9 сравнивают dm с порогом δ0, задаваемом на этапе 1. По результату сравнения либо выполняют следующую итерацию (этапы 4…7), если dш>δ0, либо переходят к этапу 10, если dш<δ0. Необходимое число итераций, как правило, составляет 2, … ,4.
На этапе 10 осуществляют вывод координат Q-гo CP
Figure 00000304
,
Figure 00000305
,
Figure 00000306
в качестве которых предварительно выбирают значения координат опорной точки на последней итерации.
Приложение Б
Алгоритм определения ортогональных составляющих вектора скорости спутника-ретранслятора при использовании двух ИОРС
Для расчета ортогональных составляющих вектора скорости Q-гo CP
Figure 00000307
,
Figure 00000308
,
Figure 00000309
в момент времени tN, когда количество ИОРС равно двум (М=2) разработан алгоритм, основные этапы которого раскрыты ниже.
На этапе 1 производят ввод исходных данных, в качестве которых выступают: координаты КРМ хК, уК, zK; координаты двух ИОРС
Figure 00000310
Figure 00000311
,
Figure 00000312
и
Figure 00000313
Figure 00000314
,
Figure 00000315
; координаты Q-гo CP
Figure 00000316
,
Figure 00000317
,
Figure 00000318
, рассчитанные в соответствии с алгоритмом, представленном в приложении А; НСЧ тестовых радиосигналов
Figure 00000319
,
Figure 00000320
,
Figure 00000321
переданных КРМ и двумя ИОРС; НСЧ тестовых радиосигналов
Figure 00000322
,
Figure 00000323
,
Figure 00000324
принятых КРМ после их переизлучения CP; номинал частоты конвертирования Q-гo CP
Figure 00000325
.
На этапе 2 рассчитывают значения радиальных скоростей
Figure 00000326
,
Figure 00000327
и
Figure 00000328
Q-гo CP относительно КРМ, 1-й, 2-й ИОРС в момент времени tN.
Соотношения НСЧ
Figure 00000329
,
Figure 00000330
,
Figure 00000331
переданных тестовых радиосигналов КРМ и двумя ИОРС и
Figure 00000332
,
Figure 00000333
,
Figure 00000334
принятых тестовых радиосигналов КРМ после их переизлучения Q-м CP, имеют вид
Figure 00000335
где
Figure 00000336
,
Figure 00000337
и
Figure 00000338
- доплеровские сдвиги частот тестовых радиосигналов на входе Q-го CP за счет его сближения (удаления) с (от) КРМ, 1-й и 2-й ИОРС в момент времени tN,
Figure 00000339
Figure 00000340
и
Figure 00000341
- доплеровские сдвиги частот тестовых радиосигналов на выходе Q-гo CP за счет его сближения (удаления) с (от) КРМ, 1-й и 2-й ИОРС в момент времени tN.
Предполагают, что нестабильность генератора частот Q-го CP известна и компенсируется. Влияние других эффектов на изменение частоты, например гравитационный и релятивистский эффекты в рамках рассматриваемого способа пренебрежимо малы и поэтому не учитывают.
Выражения для доплеровских сдвигов частот тестовых радиосигналов
Figure 00000342
,
Figure 00000343
и
Figure 00000344
на входе Q-го CP и для доплеровских сдвигов частот тестовых радиосигналов
Figure 00000345
,
Figure 00000346
и
Figure 00000347
на выходе Q-го CP, с учетом того, что
Figure 00000348
,
Figure 00000349
и
Figure 00000350
, имеют следующие виды:
Figure 00000351
Из равенств (Б.1) и (Б.2) получают выражения для расчета радиальных скоростей
Figure 00000352
,
Figure 00000353
и
Figure 00000354
:
Figure 00000355
На этапе 3 рассчитывают ортогональные составляющие вектора скорости Q-го CP
Figure 00000356
,
Figure 00000357
,
Figure 00000358
.
Справедливы тождества, связывающие радиальные скорости
Figure 00000359
,
Figure 00000360
и
Figure 00000361
с вектором скорости CP
Figure 00000362
, через углы
Figure 00000363
,
Figure 00000364
и
Figure 00000365
:
Figure 00000366
Согласно теореме о скалярном произведении векторов
Figure 00000367
Модуль вектора скорости Q-гo CP в момент времени tN равен:
Figure 00000368
а расстояния от КРМ, 1-й, 2-й ИОРС до Q-гo CP
Figure 00000369
,
Figure 00000370
,
Figure 00000371
рассчитывают как
Figure 00000372
Выражения (Б.1) с учетом уравнений (Б.4)…(Б.7) преобразуют в систему линейных уравнений:
Figure 00000373
где коэффициенты при переменных
Figure 00000374
,
Figure 00000375
,
Figure 00000376
равны:
Figure 00000377
,
Figure 00000378
,
Figure 00000379
,
Figure 00000380
,
Figure 00000381
,
Figure 00000382
,
Figure 00000383
,
Figure 00000384
,
Figure 00000385
.
Систему из трех линейных уравнений (Б.8) с тремя неизвестными решают одним из известных методов, например, методом Крамера. Результатом решения системы уравнений (Б.8) выступают ортогональные составляющие вектора скорости Q-гo CP
Figure 00000386
,
Figure 00000387
,
Figure 00000388
.
Приложение В
Алгоритм определения местоположения AT с помощью 1-го и 2-го CP на низкой околоземной орбите для момента измерения t1
В качестве исходных данных разработанного алгоритма выступают: координаты КРМ хК, уК, zK; КП 1-го и 2-го CP - координаты 1-го и 2-го CP
Figure 00000389
,
Figure 00000390
,
Figure 00000391
,
Figure 00000392
,
Figure 00000393
,
Figure 00000394
и ортогональные составляющие вектора их скорости
Figure 00000395
,
Figure 00000396
,
Figure 00000397
,
Figure 00000398
,
Figure 00000399
,
Figure 00000400
, в момент времени t1; радиус сферы поверхности земли
Figure 00000401
.
Предполагают, что AT в моменты времени t1 излучает в направлении на 1-й и 2-й CP радиосигналы с постоянным НСЧ равным ƒА, однако, в КРМ этот НСЧ не известен.
В КРМ измеряют НСЧ радиосигналов
Figure 00000402
и
Figure 00000403
принятых от AT через 1-й и 2-й CP в моменты времени
Figure 00000404
и
Figure 00000405
.
Моменты времени
Figure 00000406
и
Figure 00000407
близкие между собой и моментом времени t1 но отличаются за счет разности траекторий
Figure 00000408
и
Figure 00000409
. Следовательно, можно составить тождество:
Figure 00000410
где выражение в первых скобках - длина траектории
Figure 00000411
, выражение во вторых скобках - длина траектории
Figure 00000412
.
Рассчитывают расстояния
Figure 00000413
и
Figure 00000414
, используя выражения:
Figure 00000415
Составляют систему уравнений, связывающую
Figure 00000416
и
Figure 00000417
, с неизвестными координатами А хА,уА и zA:
Figure 00000418
Произведя вычет из второго уравнения системы (В.3) первое получают:
Figure 00000419
где коэффициент в правой части
Figure 00000420
- разность дальностей от 2-го и 1-го CP до AT в момент времени t1, которая, в соответствии с (В.1), равна:
Figure 00000421
Вместе с тем указанные НСЧ
Figure 00000422
и
Figure 00000423
представляют в виде:
Figure 00000424
где
Figure 00000425
,
Figure 00000426
- доплеровские сдвиги частот радиосигналов AT на входе 1-го и 2-го CP за счет их сближения (удаления) с (от) AT в момент времени t1,
Figure 00000427
и
Figure 00000428
- номиналы частот конвертирования 1-го и 2-го CP,
Figure 00000429
,
Figure 00000430
- доплеровские сдвиги частот радиосигналов AT на выходе 1-го и 2-го CP за счет их сближения (удаления) с (от) К в моменты времени tn.
Для компенсации неизвестного НСЧ радиосигнала AT ƒA на основе тождеств (В.5) составляют разностное уравнение:
Figure 00000431
Поскольку справедливы неравенства
Figure 00000432
,
Figure 00000433
и
Figure 00000434
,
Figure 00000435
, то выражения для расчета доплеровских сдвигов частот имеют следующий вид:
Figure 00000436
где
Figure 00000437
,
Figure 00000438
и
Figure 00000439
,
Figure 00000440
- радиальные скорости 1-го и 2-го CP относительно КРМ и AT в момент времени t1.
Рассчитывают значения радиальных скоростей 1-го и 2-го CP относительно КРМ
Figure 00000441
,
Figure 00000442
в момент времени t1 по формулам:
Figure 00000443
Составляют тождества для расчета радиальных скоростей 1-го и 2-го CP относительно AT
Figure 00000444
,
Figure 00000445
в момент времени t1:
Figure 00000446
где хА, уА и zА - искомые координаты AT.
Разностное уравнение (В.6) с учетом равенств (В.7) приобретает вид:
Figure 00000447
Выражение (В.9), с учетом тождеств (В.8) преобразуют к уравнению, содержащему три неизвестных переменные хА, уА и zА н имеющему вид:
Figure 00000448
где коэффициент в правой части
Figure 00000449
- разность радиальных скоростей 2-го и 1-го CP относительно AT в момент времени t1, которая вычисляется в соответствии с выражением:
Figure 00000450
В предположении, что AT расположен на земной поверхности, составляют еще одно уравнение с переменными хА, уА и zA:
Figure 00000451
Уравнения (В.4), (В.10) и (В.11) в совокупности образуют систему уравнений
Figure 00000452
Для решения системы уравнений второго порядка (В.12) применяют итерационный алгоритм, включающий следующие этапы:
Этап 1. Задают произвольные, но для быстрой сходимости наиболее правдоподобные опорные координаты AT:
Figure 00000453
,
Figure 00000454
,
Figure 00000455
.
Этап 2. Определяют значения функций
Figure 00000456
,
Figure 00000457
и
Figure 00000458
системы уравнений (В.12) в точке с опорными координатами AT
Figure 00000459
,
Figure 00000460
,
Figure 00000461
:
Figure 00000462
Этап 3. Рассчитывают невязки w4, w5 и w6 по формулам
Figure 00000463
,
Figure 00000464
,
Figure 00000465
.
Этап 4. Составляют систему трех линейных уравнений, в которой в качестве неизвестных выступают поправки к точке с опорными координатами AT ΔхА, ΔуА и ΔzA, на основе разложений функций
Figure 00000466
,
Figure 00000467
и
Figure 00000468
в ряды Тейлора с точностью до первых производных:
Figure 00000469
где значения частных производных в точке с опорными координатами AT
Figure 00000470
,
Figure 00000471
,
Figure 00000472
равны:
Figure 00000473
,
Figure 00000474
,
Figure 00000475
,
Figure 00000476
где, в свою очередь, расстояния
Figure 00000477
,
Figure 00000478
от 1 -го и 2-го CP до опорной точки с координатами
Figure 00000479
,
Figure 00000480
,
Figure 00000481
и радиальные скорости
Figure 00000482
,
Figure 00000483
1-го и 2-го CP относительно опорной точки с координатами
Figure 00000484
,
Figure 00000485
,
Figure 00000486
равны:
Figure 00000487
Этап 5. Решают систему трех линейных уравнений (В.15), с тремя неизвестными одним из известных методов, например, методом Крамера.
Результатом решения системы уравнений (В.15) выступают поправки к опорным координатам AT ΔхА, ΔуА, ΔzA.
Этап 6. Определяют новые опорные координаты AT
Figure 00000488
,
Figure 00000489
,
Figure 00000490
:
Figure 00000491
,
Figure 00000492
,
Figure 00000493
.
Этапы 1…6 в совокупности образуют первую итерацию. Далее итерации повторяют, используя каждый раз новые опорные координаты AT, полученные на этапе 6 предыдущей итерации. Количество необходимых итераций зависит от корректности выбора начальных опорных координаты (этап 1) и требуемой точности определения координат AT.
Окончательно, в качестве координат AT xA, yA, zA принимают значения опорных координат AT на последней итерации.

Claims (2)

1. Способ определения местоположения абонентского терминала (AT) с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов (CP) на низкой околоземной орбите, заключающийся в том, что размещают комплекс радиоэлектронного мониторинга (КРМ), содержащий приемную и передающую аппаратуру, на позиции с известными координатами xK, yK, zK, в качестве объекта радиоэлектронного мониторинга выбирают два CP S1 и S2 с известными номиналами частот конвертирования
Figure 00000494
и
Figure 00000495
соответственно, излучают с помощью аппаратуры КРМ тестовые радиосигналы с номиналами средних частот (НСЧ)
Figure 00000496
и
Figure 00000497
в направлении на первый и второй CP соответственно в момент времени t1, измеряют в КРМ НСЧ
Figure 00000498
и
Figure 00000499
реализации радиосигнала, принятого от AT через первый и второй CP соответственно, в моменты времени
Figure 00000500
и
Figure 00000501
, рассчитывают разность дальностей
Figure 00000502
от первого и второго CP до AT на основе запомненных значений моментов времени
Figure 00000503
и
Figure 00000504
, рассчитывают разность радиальных скоростей
Figure 00000505
первого и второго CP относительно AT на основе запомненных значений НСЧ
Figure 00000506
и
Figure 00000507
, по известным координатам КРМ xK, yK, zK, номиналам частот конвертирования
Figure 00000508
и
Figure 00000509
, а также рассчитанным разности дальностей
Figure 00000510
и разности радиальных скоростей
Figure 00000511
в момент времени t1 вычисляют местоположение AT на поверхности земли, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают на земной поверхности М≥2 излучающих опорных реперных станции (ИОРС) на позициях с известными координатами xIm, yIm, zIm, где m=1…М - номер ИОРС, а для выбора Q≥2 CP с известными номиналами частот конвертирования
Figure 00000512
в качестве объектов радиоэлектронного мониторинга предварительно задают район ведения радиомониторинга (РВРМ) как область на поверхности земли, в которой необходимо определить местоположение AT, и выбирают n-е моменты времени tn, где n=1…N, N≥1, при которых зоны освещенности q-x CP охватывают и КРМ, и РВРМ, и позиции всех m-х ИОРС, определяют n-е канонические параметры (КП) q-x CP, включающие координаты CP
Figure 00000513
,
Figure 00000514
,
Figure 00000515
и ортогональные составляющие вектора его скорости
Figure 00000516
,
Figure 00000517
,
Figure 00000518
на основе излучения тестовых радиосигналов КРМ и m-ми ИОРС в моменты времени tn в направления на q-е CP и их последующего приема КРМ после переизлучения указанными CP, измеряют в КРМ номиналы средних частот
Figure 00000519
, где q≠1, q≠2 при n=1 реализаций радиосигналов, принятых от AT через q-е CP соответственно в моменты времени
Figure 00000520
, рассчитывают N×(Q-1) разностей дальностей
Figure 00000521
, где g=1…Q, g≠q от q-го и g-го CP до AT на основе координат КРМ xK, yK, zK, координат q-x и g-x CP, запомненных значений моментов времени
Figure 00000522
, рассчитывают N×(Q-1) разностей радиальных скоростей
Figure 00000523
, g≠q между q-м и g-м CP относительно AT на основе координат КРМ xK, yK, zK, КП q-x и g-x CP, номиналов частот конвертирования
Figure 00000524
, запомненных значений НСЧ
Figure 00000525
, выбирают в качестве поверхности земли сферу с радиусом
Figure 00000526
, рассчитываемым на основе средней широты РВРМ ϕA, а определение местоположения AT на поверхности земли производят с использованием n-х КП q-x CP, N×(Q-1) разностей дальностей
Figure 00000527
, N×(Q-1) разностей радиальных скоростей
Figure 00000528
и радиуса сферы поверхности земли
Figure 00000529
.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения n-х КП q-x CP в моменты времени tn предварительно излучают с помощью аппаратуры КРМ тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000530
(q≠1, q≠2 при n=1) в направления на q-е CP в моменты времени tn, излучают m-ми ИОРС тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000531
в направления на q-e CP в моменты времени tn, принимают с помощью КРМ переизлученные q-ми CP тестовые радиосигналы с НСЧ
Figure 00000532
и
Figure 00000533
в моменты времени
Figure 00000534
и
Figure 00000535
соответственно, передают в КРМ НСЧ тестовых радиосигналов
Figure 00000536
от m-х ИОРС, определяют задержки во времени
Figure 00000537
и
Figure 00000538
между излученными и принятыми тестовыми радиосигналами, после чего измеряют наклонные дальности от q-x CP до КРМ
Figure 00000539
и до m-х ИОРС
Figure 00000540
, соответствующие моментам времени tn, рассчитывают координаты q-x CP
Figure 00000541
,
Figure 00000542
,
Figure 00000543
в моменты времени tn по известным координатам КРМ и m-х ИОРС, а также измеренным наклонным дальностям
Figure 00000544
, и
Figure 00000545
, измеряют радиальные скорости q-x CP относительно КРМ
Figure 00000546
и m-х ИОРС
Figure 00000547
в моменты времени tn на основе известных координат КРМ и m-х ИОРС, рассчитанных координат q-x CP
Figure 00000548
,
Figure 00000549
,
Figure 00000550
, а также запомненных НСЧ переданных
Figure 00000551
,
Figure 00000552
и принятых
Figure 00000553
и
Figure 00000554
тестовых радиосигналов, вычисляют ортогональные составляющие векторов скорости q-x CP
Figure 00000555
,
Figure 00000556
,
Figure 00000557
в моменты времени tn, используя известные координаты КРМ и m-х ИОРС, вычисленные координаты q-x CP
Figure 00000558
,
Figure 00000559
,
Figure 00000560
и измеренные радиальные скорости
Figure 00000546
и
Figure 00000547
, а в качестве n-х КП q-x CP принимают совокупности координат q-x CP
Figure 00000561
,
Figure 00000562
,
Figure 00000563
и ортогональных составляющих векторов их скоростей
Figure 00000564
,
Figure 00000565
,
Figure 00000566
в моменты времени tn.
RU2017140942A 2017-11-23 2017-11-23 Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите RU2684740C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140942A RU2684740C1 (ru) 2017-11-23 2017-11-23 Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140942A RU2684740C1 (ru) 2017-11-23 2017-11-23 Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684740C1 true RU2684740C1 (ru) 2019-04-15

Family

ID=66168232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140942A RU2684740C1 (ru) 2017-11-23 2017-11-23 Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2684740C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5844521A (en) * 1996-12-02 1998-12-01 Trw Inc. Geolocation method and apparatus for satellite based telecommunications system
EP0787387B1 (en) * 1994-10-12 2000-11-29 Leo One Ip, L.L.C. Optimal coverage satellite system for a low earth orbit store-and-forward telecommunication network
US6219617B1 (en) * 1998-02-16 2001-04-17 Contraves Space Ag Method for determining the orbital positions of satellites in LEO networks
RU2253946C2 (ru) * 2003-08-15 2005-06-10 Закрытое акционерное общество "Теленорд Холд" Система спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных
RU2256935C2 (ru) * 1996-09-30 2005-07-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Система, способ и пользовательский терминал в системе однозначного определения местоположения с использованием двух спутников на низкой околоземной орбите
RU2352067C1 (ru) * 2007-07-06 2009-04-10 Федеральное Государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт специальных систем связи "Интеграл", а/я 364 Система связи с ретрансляторами, изменяющими свое местоположение в пространстве
RU2614049C2 (ru) * 2014-10-29 2017-03-22 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Глобальная система спутниковой связи и передачи данных с космическими аппаратами на низкой круговой орбите

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0787387B1 (en) * 1994-10-12 2000-11-29 Leo One Ip, L.L.C. Optimal coverage satellite system for a low earth orbit store-and-forward telecommunication network
RU2256935C2 (ru) * 1996-09-30 2005-07-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Система, способ и пользовательский терминал в системе однозначного определения местоположения с использованием двух спутников на низкой околоземной орбите
US5844521A (en) * 1996-12-02 1998-12-01 Trw Inc. Geolocation method and apparatus for satellite based telecommunications system
US6219617B1 (en) * 1998-02-16 2001-04-17 Contraves Space Ag Method for determining the orbital positions of satellites in LEO networks
RU2253946C2 (ru) * 2003-08-15 2005-06-10 Закрытое акционерное общество "Теленорд Холд" Система спутниковой связи для наблюдения за подвижными и стационарными объектами, передачи телефонных сообщений и данных
RU2352067C1 (ru) * 2007-07-06 2009-04-10 Федеральное Государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт специальных систем связи "Интеграл", а/я 364 Система связи с ретрансляторами, изменяющими свое местоположение в пространстве
RU2614049C2 (ru) * 2014-10-29 2017-03-22 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Глобальная система спутниковой связи и передачи данных с космическими аппаратами на низкой круговой орбите

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2593274C2 (ru) Способ и система для определения временных изменений при повторной передаче и распространении сигналов, используемых для измерения расстояний, синхронизирования исполнительных механизмов и выполнения геопривязки
JP4592506B2 (ja) アップリンク干渉源位置特定装置及びその方法
RU2419106C1 (ru) Способ и устройство определения координат источника радиоизлучения
RU2702098C1 (ru) Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли с использованием приемных опорных реперных станций
US11821997B2 (en) Techniques for determining geolocations
AU2012245010A1 (en) Process and system to determine temporal changes in retransmission and propagation of signals used to measure distances, syncronize actuators and georeference applications
CN108303602A (zh) 一种超稀疏天线阵列收发波束方向图的测试方法
Ostroumov et al. Ukrainian navigational aids network configuration estimation
RU2613369C1 (ru) Способ навигации летательного аппарата с использованием высокоточного одноэтапного пеленгатора и адресно-ответной пакетной цифровой радиолинии в дкмв диапазоне
Aitmagambetov et al. Energy budget and methods for determining coordinates for a radiomonitoring system based on a small spacecraft
RU2450284C2 (ru) Способ определения местоположения vsat-станции в спутниковой сети
RU2684740C1 (ru) Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью не менее двух спутников-ретрансляторов на низкой околоземной орбите
RU2605457C1 (ru) Способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов
Park et al. Evolution of PAU/PARIS End-to-end Performance Simulator (P 2 EPS) towards GNSS reflectometry, radio occulation and Scatterometry simulator (GEROS-SIM)
CN108594284B (zh) 一种tdoa定位性能检测方法及系统
RU2670976C9 (ru) Способ определения местоположения источника радиоизлучения с периодической структурой сигнала и вращающейся направленной антенной
Nabila et al. A 3D Multilateration Using RF Burst
di Palo et al. Time Difference of Arrival for stratospheric balloon tracking: design and development of the STRAINS Experiment
RU2622511C1 (ru) Способ синхронизации часов и устройство для его реализации
RU2679890C1 (ru) Способ определения местоположения абонентского терминала с помощью спутника-ретранслятора на низкой околоземной орбите
RU2614035C1 (ru) Одноэтапный метод пеленгования источников излучения в дкмв диапазоне с применением фазированной антенной решетки, состоящей из взаимно ортогональных симметричных горизонтальных вибраторов
Kistanov et al. Satellite geolocation direct method in the presence of phase distortions
Wan et al. A matching method for establishing correspondence between satellite radar altimeter data and transponder data generated during calibration
Öz et al. TDOA based tracking measurement for geo satellites orbit determination: evaluation for the satellite operators
RU2788518C1 (ru) Способ определения ортогональных составляющих вектора скорости космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191124

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210202

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20210309