RU2784802C1 - Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning - Google Patents

Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning Download PDF

Info

Publication number
RU2784802C1
RU2784802C1 RU2022116136A RU2022116136A RU2784802C1 RU 2784802 C1 RU2784802 C1 RU 2784802C1 RU 2022116136 A RU2022116136 A RU 2022116136A RU 2022116136 A RU2022116136 A RU 2022116136A RU 2784802 C1 RU2784802 C1 RU 2784802C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
noise
positioning
navigation
signal
resistance
Prior art date
Application number
RU2022116136A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2784802C9 (en
Inventor
Игорь Леонидович Корнеев
Константин Юрьевич Борисов
Захар Константинович Кондрашов
Александр Владимирович Григорьев
Виктор Владимирович Юров
Александр Валерьевич Александров
Александр Сергеевич Кузнецов
Вячеслав Сергеевич Королев
Валерий Васильевич Егоров
Евгений Александрович Анищенко
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс")
Publication of RU2784802C1 publication Critical patent/RU2784802C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2784802C9 publication Critical patent/RU2784802C9/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio navigation.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio navigation. The effect is achieved by the fact that the rangefinder local radio navigation system, which provides high-precision positioning, uses a navigation signal free from the influence of the ionosphere, troposphere and errors in determining the ephemeris of satellites, independent of global navigation satellite systems, solving both the problem of positioning and the problem of monitoring objects, contains transceivers at reference stations and user terminals, uses an interrogation mode and a rangefinder positioning method in the absence of synchronization of reference stations, provides centimeter positioning accuracy using a noise-immune method for signal code correlation processing, as well as resistance to generated imitation interference using dynamically changing according to a complex law pseudo-random sequences, resistance to retransmitted imitation interference using methods for combating re-reflected signals nalami, resistance to masking interference using high-power noise-like signals at the receiving point, for which the noise suppression at the output of the matched power filter is 2 V times, where B is the signal base.
EFFECT: ensuring high-precision positioning of subscribers in the interrogation mode using a rangefinding positioning method that provides centimeter positioning accuracy using a noise-resistant method for correlation processing of noise-like signals and high resistance to masking and imitation interference.
1 cl, 5 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области радионавигации и позволяет осуществить реализацию помехоустойчивой дальномерной радионавигационной системы, обеспечивающей высокоточное позиционирование.The invention relates to the field of radio navigation and allows the implementation of a noise-resistant rangefinder radio navigation system that provides high-precision positioning.

В настоящее время известны глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) такие, как ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как:Currently known global navigation satellite systems (GNSS) such as GLONASS, GPS, Galileo, Beidou have a number of undeniable advantages, such as:

- полное покрытие земли и околоземного пространства;- full coverage of the earth and near-earth space;

- бесплатное использование систем;- free use of systems;

- унификация оборудования для всех пользователей и т.д.- unification of equipment for all users, etc.

Но ГНСС имеют и ряд существенных недостатков:But GNSS also have a number of significant drawbacks:

- плохой прием сигналов в лесистых и горных местностях, в условиях городской застройки;- poor signal reception in wooded and mountainous areas, in urban areas;

- недостаточная помехоустойчивость - локальные помехи небольшой мощности могут затруднить или сделать невозможным навигацию по сигналам ГНСС.- insufficient noise immunity - local interference of low power can make it difficult or impossible to navigate through GNSS signals.

Инерциальные системы (ИНС) самостоятельно не могут решить проблему навигации в этих условиях, так как им необходима постоянная коррекция с использованием ГНСС.Inertial systems (INS) alone cannot solve the problem of navigation in these conditions, since they need constant correction using GNSS.

Локальные системы навигации (ЛСН) дополняют системы ГНСС в случаях невозможности использования последних из-за мощных поставленных помех или отсутствия сигнала ГНСС в точке приема.Local navigation systems (LSN) complement GNSS systems in cases where the latter cannot be used due to powerful interference or the absence of a GNSS signal at the receiving point.

Из уровня техники известна наземная импульсно-фазовая радионавигационная система (ИФРНС) «Чайка» (Loran) [1]. Система работает на сверхдлинных волнах, включает в себя мощные передатчики (мощность более 200 кВт) и работает на расстояниях более 1000 км. Недостатком системы является низкая точность позиционирования (десятки метров).The prior art is known ground-based pulse-phase radio navigation system (IFRNS) "Seagull" (Loran) [1]. The system operates on ultra-long waves, includes powerful transmitters (more than 200 kW power) and operates over distances of more than 1000 km. The disadvantage of the system is the low positioning accuracy (tens of meters).

Известна локальная радионавигационная система «Крабик» [2]. В системе используется дальномерный, разностно-дальномерный и комбинированный метод позиционирования. Используется фазовый метод измерения псевдодальности, позволяющий выполнить точные измерения на основании измерения фазы несущей частоты.Known local radio navigation system "Krabik" [2]. The system uses rangefinder, difference-rangefinder and combined positioning method. A phase pseudorange measurement method is used to make accurate measurements based on carrier phase measurements.

Недостатками РНС «Крабик» являются:The disadvantages of RNS "Krabik" are:

- низкая устойчивость к маскирующим помехам, так как фаза сигнала в высокой степени подвержена воздействию таких помех;- low resistance to masking interference, since the phase of the signal is highly affected by such interference;

- низкая устойчивость к имитационным помехам, так как в системе не предусмотрено изменение кода сигнала в процессе работы, при этом имеется высокая вероятность имитации известного кода сигнала;- low resistance to imitation interference, since the system does not provide for changing the signal code during operation, while there is a high probability of simulating a known signal code;

возможность любого несанкционированного пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации.the ability of any unauthorized user with an appropriate navigation receiver to use the system for navigation.

Известна, также, локальная радионавигационная система компании ООО «ВедаПроект», представляющая собой наземное дополнение к системе ГЛОНАСС на основе псевдоспутников (ПС) [3]. Локальная радионавигационная система (ЛРНС) предназначена для обеспечения высокоточной навигации в условиях затруднения приема сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС. В системе может использоваться стандартный навигационный приемник ГНСС, с минимальными программными модификациями, но с внешним конвертором, позволяющим менять диапазон используемых несущих частот.Also known is the local radio navigation system of VedaProject LLC, which is a ground-based addition to the GLONASS system based on pseudosatellites (PS) [3]. The local radio navigation system (LRNS) is designed to provide high-precision navigation in conditions where it is difficult to receive GNSS GPS/GLONASS signals. The system can use a standard GNSS navigation receiver, with minimal software modifications, but with an external converter that allows you to change the range of carrier frequencies used.

Недостатками ЛРНС на основе ПС компании ООО «ВедаПроект» являются:The disadvantages of LRNS based on the PS of VedaProject LLC are:

- низкая электромагнитная совместимость со стандартным оборудованием ГНСС;- low electromagnetic compatibility with standard GNSS equipment;

- низкая устойчивость к имитационным помехам, так как в системе используются известные коды сигналов ГНСС, при этом имеется высокая вероятность имитации известного кода сигнала;- low resistance to imitation interference, since the system uses known GNSS signal codes, while there is a high probability of simulating a known signal code;

- возможность любого несанкционированного пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации.- the ability of any unauthorized user with an appropriate navigation receiver to use this system for navigation.

Известна локальная система навигации LocataNet [4]. Навигационная система Locata представляет собой наземную сеть передатчиков, которые передают в эфир навигационные радиосигналы, в целом очень похожие на принципы работы радиосигналов спутниковых навигационных систем. Навигационный приемник, способный принимать и обрабатывать сигналы передатчиков системы Locata, способен самостоятельно осуществлять навигацию, в целом очень похожую на навигацию (позиционирование) по радиосигналам спутниковых навигационных систем.Known local navigation system LocataNet [4]. The Locata navigation system is a terrestrial network of transmitters that broadcast navigational radio signals that are generally very similar to the radio signals of satellite navigation systems. A navigation receiver capable of receiving and processing the signals of the Locata system transmitters is capable of independently navigating, in general, very similar to navigation (positioning) using radio signals from satellite navigation systems.

Отличительной особенностью системы Locata от аналогичных систем спутниковой навигации является временное разделение каналов (временное разделение радиосигналов передатчиков); изменение в процессе работы временного расположения сигнала передатчика; отличающаяся информация навигационного сообщения в каждом передатчике; произвольные допустимые рабочие частоты подсетей; отличающаяся система синхронизации передатчиков подсети и групп подсетей.A distinctive feature of the Locata system from similar satellite navigation systems is the time division of channels (time division of the radio signals of transmitters); change during operation of the temporary location of the transmitter signal; different navigation message information in each transmitter; arbitrary allowable operating frequencies of subnets; different synchronization system for subnet transmitters and subnet groups.

Недостатками системы Locata являются:The disadvantages of the Locata system are:

- возможность любого (несанкционированного, неавторизованного) пользователя, имеющего соответствующий навигационный приемник, использовать данную систему для навигации;- the ability of any (unauthorized, unauthorized) user with an appropriate navigation receiver to use this system for navigation;

- отсутствие взаимодействия (помимо сигналов передатчиков) между навигационной системой и навигационными приемниками, в частности, затрудняющее изменение сигналов передатчиков в процессе ее работы и изменения структуры и режима работы навигационной системы;- lack of interaction (other than transmitter signals) between the navigation system and navigation receivers, in particular, making it difficult to change transmitter signals during its operation and change the structure and mode of operation of the navigation system;

- точность позиционирования и синхронизации в системе Locata обеспечивается точным измерением фазы несущей в системе. Но фаза несущей прежде всего сбивается под действием помех;- positioning and synchronization accuracy in the Locata system is ensured by accurate measurement of the carrier phase in the system. But the carrier phase is primarily affected by noise;

- низкая помехоустойчивость, так как всем известен сигнал, используемый в системе.- low noise immunity, since everyone knows the signal used in the system.

Наиболее близким аналогом описываемого изобретения в настоящем патенте является локальная система навигации, описанная в патенте 2555860 (RU) [5].The closest analogue of the described invention in the present patent is the local navigation system described in patent 2555860 (RU) [5].

Навигационная система описанная в данном патенте 2555860 (RU) состоит из нескольких передатчиков, передающих радионавигационные сигналы, с помощью которых навигационный приемник, способный обрабатывать эти сигналы, в состоянии осуществить навигацию - определить свои координаты и, по возможности, другие свои характеристики, например, скорость, вектор движения и т.д. Навигационная система может содержать подсистему управления, необходимую для управления работой передатчиков и/или для взаимодействия с навигационными приемниками. Местоположение может использоваться в навигационном приемнике или пересылаться им в подсистему управления, или подсистема управления может получать его от системы связи.The navigation system described in this patent 2555860 (RU) consists of several transmitters that transmit radio navigation signals, with the help of which a navigation receiver capable of processing these signals is able to navigate - determine its coordinates and, if possible, its other characteristics, for example, speed , motion vector, etc. The navigation system may include a control subsystem necessary to control the operation of the transmitters and/or to interact with the navigation receivers. The location may be used in the navigation receiver or sent by it to the control subsystem, or the control subsystem may receive it from the communication system.

Недостатками предложенной системы являются следующие моменты:The disadvantages of the proposed system are the following points:

- используются отдельно приемники в абонентских терминалах и передатчики в опорных станциях, то есть реализуется только беззапросный режим, при котором необходима точная синхронизация передатчиков опорных станций тем или иным способом;- receivers are used separately in subscriber terminals and transmitters in reference stations, that is, only a non-request mode is implemented, in which precise synchronization of transmitters of reference stations is necessary in one way or another;

-при этом в системе невозможно реализовать запросный режим решения навигационной задачи, который в ряде применений является единственно возможным в случаях, когда отсутствует синхронизированная сеть опорных станций;- at the same time, it is impossible to implement the request mode of solving the navigation problem in the system, which in a number of applications is the only possible one in cases where there is no synchronized network of reference stations;

- способ синхронизации передатчиков отдельно не приводится, это значит, что для синхронизации передатчиков используется такой же метод как в системе Locata на основе измерения фазы несущей, которая подвержена воздействию помех в первую очередь;- the method of synchronization of the transmitters is not separately given, which means that the same method is used to synchronize the transmitters as in the Locata system, based on the measurement of the phase of the carrier, which is affected in the first place;

- не приводится способ обеспечения высокоточной навигации.- does not provide a way to provide high-precision navigation.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Цель изобретения, описанного в настоящем патенте, является создание навигационной системы с отсутствием указанных недостатков наиболее близкого аналога, характеризующейся следующими критериями:The purpose of the invention described in this patent is to create a navigation system with the absence of these disadvantages of the closest analogue, characterized by the following criteria:

- радионавигационная система обеспечивает высокоточное позиционирование с использованием навигационного сигнала свободного от воздействия ионосферы, тропосферы и погрешности определения эфемерид спутников;- the radio navigation system provides high-precision positioning using a navigation signal free from the influence of the ionosphere, troposphere and the error in determining the satellite ephemeris;

- содержит приемопередатчики на опорных станциях и абонентских терминалах, решает как задачу позиционирования, так и задачу мониторинга объектов;- contains transceivers at reference stations and subscriber terminals, solves both the problem of positioning and the problem of monitoring objects;

- использует запросный режим и дальномерный метод позиционирования;- uses interrogation mode and rangefinder positioning method;

- обеспечивает повышенную точность позиционирования с использованием помехоустойчивого оригинального метода корреляционной обработки кода сигнала;- provides increased positioning accuracy using a noise-resistant original method of signal code correlation processing;

- обеспечивает устойчивость к сгенерированным имитационным помехам (100%) с использованием большого числа псевдослучайных последовательностей (ПСП), динамически меняющихся по сложному закону;- provides resistance to generated imitation noise (100%) using a large number of pseudo-random sequences (RRP), dynamically changing according to a complex law;

- обеспечивает устойчивость к ретранслированным имитационным помехам с использованием методов борьбы с переотраженными сигналами;- provides resistance to retransmitted imitation interference using methods of combating re-reflected signals;

- устойчивость к маскирующим помехам обеспечивается мощностью сигнала в точке приема в 10000 раз превышающей мощность сигнала ГНСС и использованием шумоподобных сигналов, для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, где В-база сигнала.- resistance to masking interference is provided by the signal power at the receiving point 10,000 times higher than the GNSS signal power and the use of noise-like signals for which the noise suppression at the output of the matched power filter is 2 V times, where B is the signal base.

Пример структуры радионавигационной дальномерной локальной системы навигации приведен на ФИГ. 1.An example of the structure of a radio navigation rangefinder local navigation system is shown in FIG. one.

Радионавигационная система представляет собой локальную систему навигации, состоящую из сети приемо-передатчиков, входящих в состав радионавигационных опорных станций (1, 2, 3, 4), приемо-передатчиков, входящих в состав абонентских терминалов (5, 6) и аппаратно-программного комплекса (7).The radio navigation system is a local navigation system consisting of a network of transceivers that are part of radio navigation reference stations (1, 2, 3, 4), transceivers that are part of subscriber terminals (5, 6) and a hardware and software complex (7).

В системе решаются две задачи: мониторинга и навигации объектов.The system solves two tasks: monitoring and object navigation.

Обеспечиваются запросный режим работы и дальномерный метода определения координат.Query mode of operation and rangefinding method for determining coordinates are provided.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокоточного позиционирования абонентов в запросном режиме с использованием дальномерного метода позиционирования, обеспечивающего сантиметровую точность позиционирования с использованием помехоустойчивого способа корреляционной обработки шумоподобных сигналов и высокую устойчивость к маскирующим и имитационным помехам.The technical result of the claimed invention is to provide high-precision positioning of subscribers in the interrogation mode using a rangefinder positioning method that provides centimeter positioning accuracy using a noise-resistant method of correlation processing of noise-like signals and high resistance to masking and imitation interference.

В системе может решаться, как навигационная задача, когда абонентские терминалы принимают сигналы опорных станций и определяют свои координаты, направление движения и скорость, так и задача мониторинга, когда навигационные данные от абонентских терминалов передаются на аппаратно-программный комплекс (7), где собираются данные мониторинга, производится управление работой системы, в том числе управление сменой ПСП в опорных станциях (1,2,3,4) и абонентских терминалах (5, 6) по сложному закону.The system can solve both a navigation task, when subscriber terminals receive signals from reference stations and determine their coordinates, direction of movement and speed, and a monitoring task, when navigation data from subscriber terminals are transmitted to a hardware-software complex (7), where data is collected monitoring, the operation of the system is controlled, including the control of the change of the memory bandwidth in the reference stations (1,2,3,4) and subscriber terminals (5, 6) according to a complex law.

В системе реализован запросный режим позиционирования. Запросный режим имеет аналогию с активной радиолокацией с активным ответом, при которой запросный и ответный сигналы кодируются, чтобы по коду можно было определить адрес объекта и получить дополнительную информацию.The system implements a request mode of positioning. The interrogation mode has an analogy with active radar with an active response, in which the interrogation and response signals are encoded so that the address of the object can be determined from the code and additional information can be obtained.

Важное преимущество систем с активным ответом - выигрыш в дальности действия из-за значительной мощности ответного сигнала.An important advantage of active response systems is the gain in range due to the significant power of the response signal.

Как показано на ФИГ. 1 абонентские терминалы выдают навигационный сигнал в запросном режиме. Опорные станции принимают такие сигналы и выдают ответные сигналы, которые принимают абонентские терминалы и решают задачу позиционирования с использованием дальномерного метода. При этом измеряется двойное расстояние (псевдодальность) от абонентских терминалов (5,6) к опорным станциям (1, 2, 3, 4) и обратно.As shown in FIG. 1, the user terminals provide a navigation signal in an interrogation mode. Reference stations receive such signals and issue response signals, which are received by subscriber terminals and solve the positioning problem using the ranging method. In this case, the double distance (pseudo-range) from the user terminals (5,6) to the reference stations (1, 2, 3, 4) and back is measured.

Достоинства запросного режима:Advantages of the request mode:

- отличается повышенной точностью решения навигационной задачи;- differs in the increased accuracy of the solution of the navigation problem;

- в ряде применений является единственно возможным, когда отсутствует синхронизированная сеть опорных станций;- in some applications it is the only possible one when there is no synchronized network of reference stations;

- режим может быть реализован на двух опорных станциях, принимающих сигналы от абонентских терминалов и посылающих ответные сигналы асинхронно;- the mode can be implemented at two reference stations that receive signals from user terminals and send response signals asynchronously;

- запросный режим используется для синхронизации опорных станций в беззапросном режиме;- request mode is used to synchronize reference stations in non-request mode;

- передатчики опорных станций работают не постоянно, а только по запросу. При этом снижается энергопотребление аппаратуры.- reference station transmitters do not work constantly, but only on request. This reduces the power consumption of the equipment.

В запросном режиме используется дальномерный метод позиционирования, при котором абонентский терминал излучает дальномерный код, модулирующий несущую. При этом нет необходимости в синхронизации опорных станций. Несколько опорных станций с известными координатами принимают сигнал и посылают ответные сигналы, которые принимаются абонентским терминалом. С учетом скорости света в атмосфере и задержек в аппаратуре при приеме-передаче сигналов в абонентском терминале вычисляется двойное расстояние между абонентским терминалом и несколькими опорными станциями. При этом в AT решается навигационная задача.In the interrogation mode, a ranging method of positioning is used, in which the user terminal emits a ranging code that modulates a carrier. In this case, there is no need to synchronize the reference stations. Several reference stations with known coordinates receive a signal and send response signals, which are received by the user terminal. Taking into account the speed of light in the atmosphere and the delays in the equipment when receiving and transmitting signals in the user terminal, the double distance between the user terminal and several reference stations is calculated. At the same time, the navigation task is solved in AT.

Дальномерный метод решения навигационной задачи представлен на ФИГ. 2 и заключается в определении местоположения абонентского терминала (5) измерением расстояний между абонентским терминалом (5) и опорными станциями (1,2).The ranging method for solving the navigation problem is shown in FIG. 2 and consists in determining the location of the user terminal (5) by measuring the distances between the user terminal (5) and reference stations (1,2).

Каждая поверхность положения - сфера с центром в опорной станции (1,2) и радиусом, равным дальности. Так как точки 5 (абонентский терминал), опорных станции (1,2)находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусами R1 и R2 с точкой пересечения 5, как показано на ФИГ. 2. Вторую точку пересечения сфер надо отбросить, исходя из дополнительных данных.Each position surface is a sphere centered at the reference station (1,2) with a radius equal to the range. Since points 5 (user terminal), reference stations (1,2) are in the same plane, the position surfaces pass into circles with radii R1 and R2 with the intersection point 5, as shown in FIG. 2. The second point of intersection of the spheres must be discarded based on additional data.

Расчет инструментальной ошибки измерения псевдодальности и позиционирования в дальномерном режиме в ЛСН.Calculation of the instrumental error of pseudorange measurement and positioning in the ranging mode in LSN.

1. Инструментальная ошибка измерения псевдодальности при дискретизации входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).1. Instrumental error in measuring pseudorange when sampling the input signal in an analog-to-digital converter (ADC).

При позиционировании в запросном режиме (дальномерном методе) абонентский терминал (5) излучает сигналы запроса, а опорные станции (1,2) принимают их и переизлучают как сигналы ответа, которые принимаются абонентским терминалом (5). Так как скорость распространения радиоволн в воздухе постоянна, то принятые в абонентским терминалом (5) ответные сигналы опорных станций РОС (1,2) запаздывают по отношению к излученным сигналам на определенное время t3:When positioning in the request mode (ranging method), the user terminal (5) emits request signals, and the reference stations (1,2) receive them and re-emit them as response signals, which are received by the user terminal (5). Since the speed of propagation of radio waves in the air is constant, the response signals of the ROS reference stations (1,2) received in the subscriber terminal (5) are late in relation to the emitted signals for a certain time t 3 :

Figure 00000001
Figure 00000001

где R - расстояние между опорной станцией и абонентским терминалом (м),where R is the distance between the reference station and the user terminal (m),

Figure 00000002
- время задержки обработки сигнала при приеме/передаче в опорных станциях и абонентских терминалах и определяется в процессе калибровки.
Figure 00000002
- signal processing delay time during reception/transmission in reference stations and subscriber terminals and is determined during the calibration process.

Так как инструментальная ошибка позиционирования в ЛСН определяется точностью измерения времени задержки сигнала, зависящей от ошибки дискретизации входного сигнала в приемнике во времени, то предлагается следующий оценочный расчет инструментальной ошибки измерения псевдодальности в ЛСН - Δинстр. (оценочный расчет приведен с численными вычислениями для лучшего восприятия, естественно значения могут быть другими):Since the instrumental positioning error in the LOS is determined by the accuracy of measuring the signal delay time, which depends on the sampling error of the input signal in the receiver in time, the following estimated calculation of the instrumental error in measuring the pseudorange in the LOS is Δinstr. (estimated calculation is given with numerical calculations for a better perception, naturally the values \u200b\u200bmay be different):

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- инструментальная ошибка измерения псевдодальности при дискретизации входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) приемника с точностью до одного символа псевдослучайной последовательности (ПСП);where
Figure 00000004
- instrumental pseudorange measurement error when sampling the input signal in the analog-to-digital converter (ADC) of the receiver with an accuracy of up to one symbol of a pseudo-random sequence (PRS);

Figure 00000005
- скорость света в вакууме (скорость распространения радиоволн)
Figure 00000005
- speed of light in vacuum (speed of propagation of radio waves)

Figure 00000006
- частота следования символов ПСП;
Figure 00000006
- frequency of repetition of PSP symbols;

Figure 00000007
- количество отсчетов выходного сигнала АЦП на каждый из символов ПСП.
Figure 00000007
- the number of samples of the ADC output signal for each of the PSP symbols.

2. Частота дискретизации входного сигнала.2. Sampling frequency of the input signal.

Частота дискретизации входного сигнала в АЦП приемника выбирается из расчета К1 отсчетов на один символ ПСП.The sampling frequency of the input signal in the receiver's ADC is selected on the basis of K1 samples per one PSS symbol.

Так как в запросном режиме измеряется двойное расстояние между опорной станцией (1,2) и абонентским терминалом, и измеренная задержка делится на 2, то и инструментальная ошибка измерения также делится на 2.Since double the distance between the reference station (1,2) and the user terminal is measured in the interrogation mode, and the measured delay is divided by 2, then the instrumental measurement error is also divided by 2.

Таким образом, инструментальная ошибка измерения псевдодальности при дискретизации входного сигнала в АЦП приемника на частоте

Figure 00000008
при типовых числовых данных
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
в дальномерном методе:Thus, the instrumental error in measuring the pseudorange when sampling the input signal in the ADC of the receiver at the frequency
Figure 00000008
with typical numerical data
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000011
in the rangefinding method:

Figure 00000012
Figure 00000012

3. Повышение частоты дискретизации входного сигнала.3. Upsampling of the input signal.

Для уменьшения инструментальной ошибки выполняется повышение частоты дискретизации входного сигнала в К2 раз без повышения частоты работы АЦП.To reduce the instrumental error, the sampling frequency of the input signal is increased by K2 times without increasing the frequency of the ADC.

Для этого берется К2=10 отсчетов на каждый символ, следующий с частотой дискретизации

Figure 00000013
путем сдвига тактирующего сигнала на 1/10 такта на каждой из К2 посылок ПСП.To do this, K2 = 10 samples are taken for each symbol, following with a sampling frequency
Figure 00000013
by shifting the timing signal by 1/10 of the cycle on each of the K2 parcels of the PSP.

При обработке К2=10 посылок ПСП инструментальная ошибка измерения псевдодальности в дальномерном методе равна:When processing K2=10 PSP messages, the instrumental error of pseudo-range measurement in the range-finding method is equal to:

Figure 00000014
Figure 00000014

4. Точное определение положения пика функции корреляции.4. Accurate determination of the position of the peak of the correlation function.

Функция корреляции (ФК) в приемнике абонента вычисляется с использованием статистики полученных отсчетов.The correlation function (FC) at the subscriber's receiver is calculated using the statistics of the received samples.

График отсчетов ФК в районе пика выглядит как треугольник с основанием К 1=20 отсчетов по оси времени, как показано на ФИГ. 3. При этом пик ФК представлен не одним отсчетом, а «растянут» на К1 тактов.The graph of the FC counts in the peak area looks like a triangle with a base of K 1=20 counts along the time axis, as shown in FIG. 3. In this case, the FK peak is not represented by one count, but is “stretched” by K1 cycles.

Отсчеты ФК следуют частотой

Figure 00000015
и обозначены точками, которые не лежат на одной прямой из-за ошибок распространения и обработки навигационного сигнала.FC counts follow frequency
Figure 00000015
and are indicated by points that do not lie on one straight line due to propagation and processing errors of the navigation signal.

Положение пика ФК вычисляется как точка пересечение двух прямых, составляющих треугольник и проведенных оптимально среди 10 отсчетов (слева)+10 отсчетов (справа) с использованием метода наименьших квадратов. При этом получим точку to, которая определяет более точное положение пика ФК и будет отличаться на величину

Figure 00000016
от значения
Figure 00000017
полученного в случае, когда ФК вычисляется с точностью до отсчета с инструментальной ошибкой измерения псевдодальности Δдт=0,749 м.The position of the FC peak is calculated as the point of intersection of two straight lines constituting a triangle and drawn optimally among 10 samples (left) + 10 samples (right) using the least squares method. In this case, we obtain the point to, which determines a more accurate position of the FC peak and will differ by
Figure 00000016
from the value
Figure 00000017
obtained in the case when the FC is calculated up to a reading with an instrumental pseudo-range measurement error Δdt=0.749 m.

Определение точного значения сигнала и момента пика ФК начинается при превышении сигналом на выходе согласованного фильтра некоторого порога.The determination of the exact value of the signal and the moment of the peak of the FK begins when the signal at the output of the matched filter exceeds a certain threshold.

При этом с использованием метода наименьших квадратов при вычислении момента пика ФК инструментальная ошибка измерения псевдодальности уменьшается в К3 раз и представляет собой среднеквадратичное отклонение (СКО) с учетом ошибки распространения и обработки навигационного сигнала. По имеющимся данным статистики - К3=2-3.At the same time, using the least squares method when calculating the moment of the FC peak, the instrumental pseudorange measurement error decreases by a factor of K3 and represents the root mean square deviation (RMS) taking into account the error in the propagation and processing of the navigation signal. According to available statistics - K3=2-3.

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

5. Увеличение числа измерений псевдодальности.5. Increasing the number of pseudorange measurements.

Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) необходимо увеличить число измерений.According to the law of the theory of errors, if it is necessary to improve the accuracy of the result (with the systematic error excluded), it is necessary to increase the number of measurements.

Если увеличить число измерений L1 при измерении псевдодальности в 25 раз, то есть обрабатывать кадр из 25 ПСП, то СКО будет меньше в

Figure 00000020
If we increase the number of L1 measurements when measuring pseudorange by a factor of 25, i.e., process a frame of 25 PRS, then the RMS will be less in
Figure 00000020

Использование кадра из 25 ПСП необходимо, так как в нем содержится адрес абонента и опорной станции, а также, другая необходимая информация.The use of a frame of 25 PRs is necessary, since it contains the address of the subscriber and the reference station, as well as other necessary information.

При этом получаем инструментальную ошибку СКО

Figure 00000021
при использовании метода наименьших квадратов при измерении псевдодальности учетом ошибки распространения и обработки навигационного сигнала:In this case, we obtain an instrumental error of RMS
Figure 00000021
when using the least squares method when measuring pseudo-range, taking into account the error of propagation and processing of the navigation signal:

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000023

(при доверительной вероятности 0,67).(with a confidence level of 0.67).

Длительность кадра составляет 25 мсек. При этом частота выдачи результата -10 Гц.The frame duration is 25 ms. In this case, the frequency of issuing the result is -10 Hz.

Полученное значение инструментальной ошибки определения псевдодальности составляет лишь часть реальной ошибки.The obtained value of the instrumental error in determining the pseudorange is only a part of the real error.

Реальная ошибка может быть определена только при измерении на имитаторе сигнала и проведении натурных испытаний.The real error can only be determined by measuring on a signal simulator and conducting field tests.

6. Оценка реальной ошибки измерения псевдодальности.6. Estimation of the real error of pseudorange measurement.

Потенциальная ошибка измерения псевдодальности характеризует предельно достижимую точность и определяется отношением сигнал/шум и шириной спектра навигационного сигнала.The potential pseudo-range measurement error characterizes the maximum achievable accuracy and is determined by the signal-to-noise ratio and the width of the navigation signal spectrum.

Потенциальная ошибка (СКО) измерения псевдодальности для радиоимпульса с колокольной огибающей приведена в [9]. Так как в запросном режиме измеряется двойное расстояние между РОС и AT и измеренная задержка делится на 2, то и потенциальная ошибка измерения также делится на 2:The potential error (RMS) of measuring the pseudorange for a radio pulse with a bell envelope is given in [9]. Since the interrogation mode measures twice the distance between POC and AT and the measured delay is divided by 2, the potential measurement error is also divided by 2:

Figure 00000024
Figure 00000024

где с = 299796459,2 ± 1,1 м/с - скорость света в вакууме (скорость распространения радиоволн);where c \u003d 299796459.2 ± 1.1 m / s is the speed of light in vacuum (the speed of propagation of radio waves);

Figure 00000025
- эффективная ширина спектра навигационного сигнала на уровне 0,46;
Figure 00000025
- effective width of the spectrum of the navigation signal at the level of 0.46;

Figure 00000026
- частота следования символов ПСП;
Figure 00000026
- frequency of repetition of PSP symbols;

Figure 00000027
- количество отсчетов выходного сигнала АЦП на каждый из символов ПСП;
Figure 00000027
- the number of samples of the ADC output signal for each of the PSP symbols;

Figure 00000028
- отношение сигнал/шум по мощности на выходе согласованного фильтра, вычисляющего ФК. Расчетное отношение мощности сигнала к мощности шума
Figure 00000029
на выходе согласованного фильтра определяется пороговым устройством, стоящем на выходе согласованного фильтра и фиксирующем момент превышении порога на графике ФК (как показано на ФИГ. 3). Определение точного значения и момента пика ФК начинается при превышении сигналом на выходе согласованного фильтра некоторого порога.
Figure 00000028
- signal-to-noise ratio by power at the output of the matched filter that calculates the FK. Estimated Signal Power to Noise Power Ratio
Figure 00000029
at the output of the matched filter is determined by a threshold device that is located at the output of the matched filter and fixes the moment when the threshold is exceeded on the FK graph (as shown in FIG. 3). Determining the exact value and moment of the FC peak begins when the signal at the output of the matched filter exceeds a certain threshold.

Экспериментальным путем установлено

Figure 00000030
Established experimentally
Figure 00000030

С учетом увеличения частоты дискретизации (К1), повторения измерений (L1), увеличения количества отсчетов на символ (К2), уточнения положения пика функции корреляции (К3) для

Figure 00000031
как при вычислении (7) потенциальная ошибка равна:Taking into account the increase in the sampling frequency (K1), the repetition of measurements (L1), the increase in the number of samples per symbol (K2), the refinement of the position of the peak of the correlation function (K3) for
Figure 00000031
as when calculating (7), the potential error is:

Figure 00000032
Figure 00000032

и составляет 10% от реальной ошибки измерения псевдодальности [9].and is 10% of the actual pseudorange measurement error [9].

При этом оценка реальной ошибки измерения псевдодальности в дальномерном методе:In this case, the estimate of the real error in measuring the pseudo-range in the range-finding method:

Figure 00000033
Figure 00000033

7. Влияние геометрического фактора на точность позиционирования в системе. Инструментальная ошибка позиционирования СКО

Figure 00000034
по двум опорным станциям, расположенным в точках 1 и 2, имеющим ошибки измерения псевдодальности до абонента7. Influence of the geometric factor on the positioning accuracy in the system. Instrumental positioning error RMS
Figure 00000034
for two reference stations located at points 1 and 2, having errors in measuring the pseudo-range to the subscriber

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

где n=2 (количество линий положения - ЛП).where n=2 (the number of position lines - LP).

Геометрический фактор (Dilution of Precision) DOP = 1/sinβ (β - угол между векторами R1 и R2, направленными от опорных станий 1 и 2 к абонентскому терминалу 5, как показано на ФИГ. 4.Geometric factor (Dilution of Precision) DOP = 1/sinβ (β is the angle between the vectors R1 and R2 directed from the reference stations 1 and 2 to the subscriber terminal 5, as shown in FIG. 4.

Абонент находится в точке 5 пересечения двух окружностей с радиусами R1 и R2. Геометрический фактор DOP в зависимости от угла β приведен в таблице 1.The subscriber is at point 5 of the intersection of two circles with radii R1 and R2. The geometric factor DOP depending on the angle β is given in Table 1.

Figure 00000037
Figure 00000037

Погрешность позиционирования (СКО) пропорциональна DOP = 1/sin β, так как:Positioning error (RMS) is proportional to DOP = 1/sin β because:

Figure 00000038
Figure 00000038

Так как в дальномерном методе СКО измерения псевдодальности

Figure 00000039
получаем СКО позиционирования (при β = 30°, DOP = 1/sin β=2,0, n = 2,
Figure 00000040
):Since in the RMS rangefinder method of measuring the pseudorange
Figure 00000039
we obtain the positioning RMS (at β = 30°, DOP = 1/sin β=2.0, n = 2,
Figure 00000040
):

Figure 00000041
Figure 00000041

Всего в кадре содержатся 25 ПСП. Длительность кадра 25 мсек.In total, the frame contains 25 PSPs. Frame duration 25 ms.

При этом обеспечивается частота выдачи результата до -10 Гц.This ensures the frequency of issuing the result up to -10 Hz.

8. Увеличение числа измерений при позиционировании.8. Increasing the number of measurements in positioning.

Если увеличить число измерений при позиционировании в ЛСН в L2 = 16 раз, то есть обрабатывать 16 кадров по 25 ПСП, то согласно закону теории погрешностей СКО будет меньше в

Figure 00000042
If we increase the number of measurements when positioning in LSN by L2 = 16 times, that is, process 16 frames of 25 memory bands, then according to the error theory law, the RMS will be less in
Figure 00000042

Figure 00000043
Figure 00000043

При идеальном геометрическом факторе DOP = 1 (угол β = 90°) получим

Figure 00000044
With an ideal geometric factor DOP = 1 (angle β = 90°) we get
Figure 00000044

Длительность 16 кадров по 25 ПСП- 400 мсек. При этом частота выдачи результата - 1 Гц.Duration 16 frames of 25 memory bandwidth - 400 ms. In this case, the frequency of issuing the result is 1 Hz.

Значение СКО в дальномерном методе составляет лишь часть реальной ошибки позиционирования, которую можно определить с использованием имитатора сигнала ЛСН и натурных испытаний.The RMS value in the ranging method is only a part of the real positioning error, which can be determined using the LSN signal simulator and field tests.

8. Результаты расчета инструментальных ошибок определения координат в зависимости от геометрического фактора и частоты выдачи результата приведены в Таблице. 2.8. The results of calculating instrumental errors in determining coordinates depending on the geometric factor and the frequency of issuing the result are shown in the Table. 2.

Figure 00000045
Figure 00000045

Figure 00000046
Figure 00000046

Расчеты инструментальной ошибки позиционирования показали возможность достижения сантиметровой точности (СКО) локальной радионавигационной системы при различных геометрических факторах.Calculations of instrumental positioning error showed the possibility of achieving centimeter accuracy (RMS) of a local radio navigation system with various geometric factors.

Устойчивость к маскирующим помехам обеспечивается тем, что:Immunity to masking interference is ensured by the fact that:

- в системе используется шумоподобные сигналы, уровень которых превышает уровень сигналов ГНСС на входе приемника в 10000 раз и для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2 В раз, где В=1024-база сигнала [8];- the system uses noise-like signals, the level of which exceeds the level of GNSS signals at the receiver input by 10,000 times and for which the noise suppression at the output of the matched power filter is 2 V times, where B=1024 is the signal base [8];

- решение задачи в навигационном приемнике принимается не по фазе несущей, подверженной воздействию помех, а по высокоточному измерению псевдодальности на основе кода сигнала, устойчивого к воздействию помех, что обеспечивается согласованной фильтрацией сигнала с точным определением момента пика функции корреляции.- the solution of the problem in the navigation receiver is taken not by the phase of the carrier subject to interference, but by high-precision measurement of pseudorange based on the signal code resistant to interference, which is ensured by matched filtering of the signal with an accurate determination of the peak moment of the correlation function.

Устойчивость к имитационным помехам обеспечивается тем, что:Resistance to imitation interference is ensured by the fact that:

- устойчивость к генерируемым имитационным помехам (100%) обеспечивается использованием большого количества псевдоортогональных ПСП (более 1000 ПСП), динамически меняющихся по определенному сложному закону под управлением АПК, вплоть до использования криптографических алгоритмов;- resistance to generated imitation noise (100%) is ensured by using a large number of pseudo-orthogonal PSPs (more than 1000 PSPs), dynamically changing according to a certain complex law under the control of the HSC, up to the use of cryptographic algorithms;

- устойчивость к ретранслированным имитационным помехам обеспечивается тем, что они подобны переотраженным сигналам и устраняются методами борьбы с переотражениями.- resistance to retransmitted imitation interference is ensured by the fact that they are similar to re-reflected signals and are eliminated by methods of combating re-reflections.

В целях борьбы с переотражениями следует рассмотреть рабочую зону ЛСН (сферы с радиусами R1, R2, R3, R4) на испытательном полигоне в дальномерном методе, представленную на ФИГ. 5.In order to combat re-reflections, one should consider the working area of the LSN (spheres with radii R 1 , R 2 , R 3 , R 4 ) at the test site in the ranging method, shown in FIG. 5.

Центры сфер, находящиеся в местах расположения четырех опорных станций, показаны точками (1,2,3,4). Абонент находится в точке пересечения сфер (5). Решение навигационной задачи - нахождение этой точки.The centers of the spheres located at the locations of the four reference stations are shown by points (1,2,3,4). The subscriber is at the point of intersection of the spheres (5). The solution of the navigation problem is to find this point.

Переотраженные сигналы не входят в решение навигационной задачи и не учитываются, так как не попадают в точки пересечения окружностей (сфер), в центрах которых расположены опорные станции (1, 2, 3, 4) с известными координатамиRe-reflected signals are not included in the solution of the navigation problem and are not taken into account, since they do not fall into the intersection points of circles (spheres), at the centers of which reference stations (1, 2, 3, 4) with known coordinates are located

Таким образом, борьба с влиянием имитационных ретранслированных помех производится такими же методами, как борьба с переотраженными сигналами.Thus, the fight against the influence of imitation retransmitted interference is carried out by the same methods as the fight against re-reflected signals.

Задача мониторинга в дальномерной системе решается следующим образом.The task of monitoring in the rangefinding system is solved as follows.

После точного позиционирования навигационная информация в AT накладывается на помехоустойчивый навигационный сигнал (ПСП) с использованием функции XOR (сложение по модулю 2) и передается в АПК (7). На приемном конце в АПК на сигнал накладывается такая же ПСП с использованием функции XOR и навигационная информация выделяется. Так решается задача мониторинга. Это возможно, так как в абонентских терминалах (5,6) есть передатчики.After accurate positioning, the navigation information in the AT is superimposed on the error-correcting navigation signal (PSN) using the XOR function (modulo 2 addition) and transmitted to the APC (7). At the receiving end in the APC, the signal is overlaid with the same SRP using the XOR function, and the navigation information is extracted. This is how the monitoring problem is solved. This is possible because there are transmitters in the subscriber terminals (5,6).

Claims (1)

Дальномерная локальная радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное позиционирование, использующая навигационный сигнал, свободный от воздействия ионосферы, тропосферы и погрешности определения эфемерид спутников, независимый от глобальных навигационных спутниковых систем, решающая как задачу позиционирования, так и задачу мониторинга объектов, отличающаяся тем, что содержит приемопередатчики на опорных станциях и абонентских терминалах, использует запросный режим и дальномерный метод позиционирования в условиях отсутствия синхронизации опорных станций, обеспечивает сантиметровую точность позиционирования с использованием помехоустойчивого метода корреляционной обработки кода сигнала, а также устойчивость к сгенерированным имитационным помехам с использованием динамически меняющихся по сложному закону псевдослучайных последовательностей, устойчивость к ретранслированным имитационным помехам с использованием методов борьбы с переотраженными сигналами, устойчивость к маскирующим помехам с использованием шумоподобных сигналов большой мощности в точке приема, для которых подавление помехи на выходе согласованного фильтра по мощности составляет 2В раз, где В-база сигнала.Range-finding local radio navigation system that provides high-precision positioning, using a navigation signal that is free from the effects of the ionosphere, troposphere and error in determining satellite ephemeris, independent of global navigation satellite systems, solving both the problem of positioning and the problem of monitoring objects, characterized in that it contains transceivers on reference stations and user terminals, uses an interrogation mode and a ranging method of positioning in the absence of synchronization of reference stations, provides centimeter positioning accuracy using a noise-resistant method of signal code correlation processing, as well as resistance to generated imitation noise using pseudo-random sequences dynamically changing according to a complex law, resistance to retransmitted imitation interference using methods of combating re-reflected signals, resistance to masking interference with them using high-power noise-like signals at the receiving point, for which the noise suppression at the output of the matched power filter is 2V times, where B is the signal base.
RU2022116136A 2022-06-15 Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning RU2784802C9 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2784802C1 true RU2784802C1 (en) 2022-11-29
RU2784802C9 RU2784802C9 (en) 2023-02-17

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103364810A (en) * 2012-03-27 2013-10-23 中国科学院国家天文台 Device for realizing satellite navigation and positioning through hopping navigation frequency point and method thereof
RU2533202C2 (en) * 2012-12-27 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Спирит Корп" Method and system for positioning of mobile terminal inside buildings based on glonass-type signal
RU2555860C2 (en) * 2012-12-12 2015-07-10 Андрей Александрович Федчун Navigation system
RU2604652C2 (en) * 2015-04-20 2016-12-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Local phase difference-range-finding radio navigation system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103364810A (en) * 2012-03-27 2013-10-23 中国科学院国家天文台 Device for realizing satellite navigation and positioning through hopping navigation frequency point and method thereof
RU2555860C2 (en) * 2012-12-12 2015-07-10 Андрей Александрович Федчун Navigation system
RU2533202C2 (en) * 2012-12-27 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Спирит Корп" Method and system for positioning of mobile terminal inside buildings based on glonass-type signal
RU2604652C2 (en) * 2015-04-20 2016-12-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Local phase difference-range-finding radio navigation system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Seco-Granados et al. Challenges in indoor global navigation satellite systems: Unveiling its core features in signal processing
KR100543634B1 (en) A method and device for creating a network positioning systemnps
US6693592B2 (en) Geographical navigation using multipath wireless navigation signals
CA2823697C (en) Method and system for determining clock corrections
KR100787846B1 (en) Method and apparatus for estimating velocity of a terminal in a wireless communication system
CN102540227B (en) The method and system of aerogram target geo-location in search and rescue system
US9851429B2 (en) Terrestrial position and timing system
US20040012524A1 (en) System for determining the position of an object
CN102047137A (en) Precise absolute time transfer from a satellite system
KR20010098736A (en) Obtaining pilot phase offset time delay parameter for a wireless terminal of an integrated wireless-global positioning system
CN104076371A (en) Internet hotspots localization using satellite systems
KR20010100969A (en) Fast GPS signal acquisition in GPS systems
US7272495B2 (en) System and method for inverse multilateration
CN108345015B (en) Radio high-precision frequency hopping positioning method with strong anti-interference capability
KR20230060474A (en) Global Navigation Satellite System Receiver
RU2784802C9 (en) Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning
RU2784802C1 (en) Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning
KR100674213B1 (en) Apparatus and method for providing location information
RU2802323C1 (en) Noise-immune difference-range local radio navigation system providing high-precision positioning
Kahe et al. MAKAN: A low‐cost low‐complexity local positioning system
JP2020043562A (en) Ground time virtual reference based positioning and timing system
Laitinen Physical Layer Challenges and Solutions in Seamless Positioning via GNSS, Cellular and WLAN Systems
Progri et al. The Performance and simulation of an OFDMA pseudolite indoor geolocation system
RU2802322C1 (en) Noise-immune difference-range local radio navigation system integrated with an inertial navigation system providing high-precision positioning of moving objects
US11757487B2 (en) Systems and methods for long range, high-capacity multipoint distance and velocity measurement