Литература - Сибирский федеральный университет

Метод временной привязки опорных станций
наземной радионавигационной системы
А.М. Алешечкин1, А.П. Романов2,
Сибирский федеральный университет, Институт инженерной физики и радиоэлектроники,
660074, Россия, Красноярск, ул. Киренского, 28
Аннотация. В представленном докладе рассмотрен метод
повышения точности местоопределения по сигналам
радионавигационных систем наземного базирования.
Повышение точности достигается на основе взаимного
приема сигналов береговыми опорными станциями
наземной радионавигационной системы и определения
поправок к шкалам времени станций на основе известных
значений их координат. Вычисленные значения поправок
передаются каждой из опорных станций в составе их
навигационных сигналов. Потребитель навигационной
информации принимает сигналы опорных станций,
проводит измерения радионавигационных параметров, а
также выделяет из сигналов береговых станций
информацию о рассогласовании временных шкал, что
позволяет компенсировать погрешность, обусловленную
несинхронностью
сигналов
опорных
станций
радионавигационной системы.
Ключевые слова – радионавигационные, синхронизация,
местоопределение,
координаты,
погрешности,
компенсаторы, приемники, передатчики.
I. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в
области координатно-временного обеспечения при
помощи спутниковых радионавигационных систем
(СРНС),
радионавигационные
системы
наземного
базирования (РНС) продолжают играть немаловажную
роль в координатном обеспечении морских объектов.
В настоящее время к РНС предъявляются повышенные
требования
к
точности
и
достоверности
радионавигационных определений, кроме того РНС
должны позволять решать задачи наземной поддержки
потребителей СРНС. Такая поддержка может быть
реализована путем возложения на РНС функций передачи
дифференциальных поправок к сигналам СРНС, что
реализуется путем размещения в составе опорных станций
(ОС) РНС контрольно-корректирующих станций (ККС)
СРНС. При этом выбираемая структура сигналов РНС
должна позволять передавать в составе навигационных
сигналов блоки цифровой информации, несущие данные
1
А.М. Алешечкин – профессор кафедры радиотехники Института
инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального
университета, Красноярск, Россия (e-mail: aleshechkin.andrej@yandex.ru).
2
А.П. Романов – старший преподаватель кафедры радиоэлектронных
систем Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского
федерального
университета,
Красноярск,
Россия
(e-mail:
romanov.a.p@yandex.ru).
дифференциальной коррекции и служебные сообщения с
заданной скоростью.
Повышение
точности
радионавигационных
определений в РНС невозможно без решения другой
проблемы – синхронизации шкал времени (ШВ) ОС, что
обеспечивает задание единой системной шкалы времени
(СШВ) РНС.
II. МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ СТАНЦИЙ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Рассмотрим известные методы реализации системной
шкалы времени в СРНС и РНС.
В СРНС ГЛОНАСС и GPS реализация СШВ
осуществляется путем установки на борт каждого из
навигационных
космических
аппаратов
(НКА)
высокоточных стандартов частоты и времени и
определении параметров ухода ШВ НКА по результатам
измерений, выполняемых станциями наземного комплекса
управления
(НКУ).
Информация
о
значениях
корректирующих
коэффициентов
полиномов,
аппроксимирующих уход часов, закладывается на борт
НКА СРНС с передающих станций НКУ по выделенному
радиоканалу [1].
В РНС для реализации единой СШВ могут быть
использованы следующие способы:
1. Дифференциальный режим РНС, требующий наличия
контрольного пункта (КП), находящегося в точке с
известными заранее координатами. При этом результаты
измерений
КП
используются
для
вычисления
корректирующих поправок для каждой из ОС к СШВ.
Полученные значения корректирующих поправок каждой
из ОС к СШВ передаются по выделенному радиоканалу в
эфир.
Потребители
РНС
измеряют
значения
радионавигационных параметров и принимают сигналы
КП, несущие информацию о поправках к шкалам времени
ОС, или поправок к значениям радионавигационных
параметров
(РНП).
Используя
принятую
корректирующую информацию, потребитель исправляет
результаты собственных измерений, в результате чего
устраняются погрешности, вызванные рассогласованием
временных шкал ОС, а также коррелированные
составляющие погрешностей на трассе распространения
сигналов [2].
2. Использование в составе ОС высокостабильных
квантовых стандартов частоты и использование возимых
III. ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА
СИНХРОНИЗАЦИИ СТАНЦИЙ НАЗЕМНОЙ РНС
В соответствии с предлагаемым способом, ОС морской
РНС располагаются вдоль береговой черты в пунктах
ОСА, ОСB, ОСС с известными координатами,
обозначенными на рис. 1 точками A , B и C .
A'
A'r
rC
стандартов частоты для периодических сличений шкал
времени ОС и введения поправок в СШВ [3, 4].
3. Калибровка РНС по методам взаимного контроля ОС и
по измерениям в море на контрольной точке [2]. Первый
способ реализуется путем определения значений
корректирующих поправок на основе взаимного контроля
сигналов ОС и ввода полученных поправок в сигналы
каждой из ОС. Второй способ реализуется путем
определения поправок к сигналам всех ОС РНС в
контрольном пункте с известными координатами,
находящимся в море, после чего полученные при
калибровке значения поправок вводятся в состав
излучаемых сигналов ОС.
4. Синхронизация РНС, основанная на использовании
внешних источников, например, СРНС.
Предложенные способы синхронизации сигналов
навигационных пунктов РНС имеют следующие
недостатки:
Дифференциальный метод ввода поправок имеет
недостаток, состоящий в необходимости выделения
специального радиоканала для передачи поправок в
реальном времени, организации и облуживании КП,
разработки аппаратуры потребителей РНС с учетом
необходимости приема дополнительных сигналов,
излучаемых КП.
Второй метод требует наличия возимого стандарта
частоты, организации перевозок этого стандарта между
станциями системы, проведения сличений временных
шкал возимого стандарта и стандартов частоты ОС.
Недостатком третьего метода является то, что во время
проведения калибровки требуется выводить РНС из
штатного режима, что приводит к прерыванию
обеспечения потребителей информацией о координатах.
Кроме того, с течением времени, прошедшего от момента
последней калибровки, информация о поправках
устаревает, вследствие взаимного расхождения ШВ ОС,
обусловленного
долговременной
нестабильностью
частоты используемых стандартов частоты и времени, что
приводит
к
постепенной
деградации
точности
определений.
Реализация четвертого метода возможна лишь при
наличии приеме сигналов СРНС, в результате чего РНС с
синхронизацией по СРНС теряет автономность.
Наличие
указанных
недостатков
явилось
побудительным мотивом для разработки метода
синхронизации ОС наземной РНС, позволяющего в
значительной степени снизить влияние перечисленных
недостатков.
A
r
BA
'
ОСА
B
C
ОСB
ОСC
M
БС
Рис. 1. Расположение ОС и БС РНС
При отсутствии временной синхронизации, ОС
выполняют излучение сигналов в моменты времени t A ,
t B и t C , которые принимаются в точке M , где
расположена приемная антеннам бортовой станции (БС).
Кроме того, сигналы пунктов B и C принимаются
антенной приемного устройства точки A' , расположенной
на расстоянии r от точки A (рис. 1).
Точка A' располагается так, чтобы исключить
возможное затенение излучения сигнала от антенны точки
A , а также возможные затенения точки приёма A'
антенной ОС точки A при излучении сигналов от точек
B и C.
Время распространения сигналов между точками A и
B  AB определяется из выражения:
r
r
 AB   BA'   BA'  ВА'  ВА' ,
c
c
где rBA'  rBA'  rBA – разность расстояний на трассах
c
и
– скорость распространения
A' B
AB ;
электромагнитных волн в пространстве.
Расстояния rBA' и rBA вычисляются по известным
координатам точек A' , A и B .
Аналогично, время распространения сигналов на трассе
AC будет определено в соответствии с выражением:
r
r
 AC   CA '   CA '  CАА  CA' ,
c
c
где rCA '  rCA '  rCA – разность расстояний на трассах
A' C и AC .
При приёме в точке A' сигнала, излученного из точки
B в момент времени t BA можно измерить время
 *AB  t BA  t A [5]. Следует отметить, что передатчики
всех ОС излучают сигналы в одно и то же известное
время, то есть t A  t B  t C по отношению к началу
собственных шкал времени (рис. 2).
A
 *CA
CА
 *BA
t BA
t
t CA
tA
B t B
ВА
t
C t C
tB
t
tC
M t M
 Bm
 Cm
 Am
АМ
CМ
BМ
t
t AM t CM t BM
Рис. 2. Эпюры сигналов навигационной системы
Исходя из вышеприведенного условия, погрешность
часов в точке B относительно точки A определяется как:
t B   AB   *AB .
Аналогично, при приеме в точке A ' сигнала,
излученного из точки C в момент времени t CA можно
измерить время  *AC  t CA  t A . В этом случае
погрешность часов в точке C относительно точки A
будет равна t C   AC   *AC .
При приёме в точке M сигнала, излученного из точки
A в момент времени t АМ можно измерить время
распространения сигнала на трассе АМ :
 АМ  t АМ  t A  t M   Am  t M ,
где
–
измеренная
величина
 АМ  t АМ  t А
псевдозадержки распространения сигналов на трассе АМ.
В свою очередь, при приеме в точке M сигнала,
излученного в момент времени t BM из точки B можно
измерить время распространения сигнала на трассе BМ :
 BM  t ВМ  t B  t B  t M   Bm  t B  t M ,
где  Bm  t ВМ  t В – измеренное значение псевдозадержки распространения сигнала на трассе ВМ.
Аналогичным образом, при приёме в точке M сигнала,
излученного из точки C в момент времени t СМ
определяется время распространения сигнала на трассе
CM в соответствии с выражением:
 СМ  t CМ  t C  t C  t M   Сm  t C  t M ,
где  Cm  t CМ  t C – измеренное значение псевдозадержки распространения сигнала на трассе СМ.
Координаты места x M , y M точки расположения БС M
можно определить путем решения системы трех
уравнений для псевдодальностей, измеренных БС (M) до
ОС1 (А), ОС2 (B) и ОС3 (С), имеющей вид:

2
2
 c   АМ   x A  x M    y A  y M   с  t M


2
2
 c  (  BМ  t B )   x B  x M    y B  y M   с  t M , (1)

2
2
c  ( 
BМ  t C )   x B  x M    y B  y M   с  t M


где x A , y A , x B , y B , x C , y C – известные координаты
точки А (ОС1), точки B (ОС2) и С (ОС3) соответственно;
t B и t C – определенные в точке А и передаваемая в
составе сигнала ОС1 (А) информация об отклонении ШВ
точек B и С по отношению к СШВ, задаваемой ОС1; t M
– неизвестное отклонение ШВ БС (M) по отношению к
СШВ, в рассмотренном случае соответствующее шкале
времени ОС1, расположенной в точке А.
Таким образом, приведенная система уравнений (1)
содержит 3 уравнения с тремя неизвестными
x M , y M , t M и может быть разрешена на практике,
например, при помощи итерационного метода Ньютона
[1].
При
наличии
избыточных
результатов
псевдодальномерных измерений система (1) решается с
использованием традиционного для радионавигационных
определений метода наименьших квадратов [1].
Вычисление погрешности часов t B осуществляется
на основе приема в точке A' сигнала, излученного из
точки B. Удаление приёмной антенны (точка A' ) от
излучающей антенны (точка А) составляет не более
половины длины волны.
В настоящее время с целью экономии частотного
ресурса наиболее перспективным способом разделения
сигналов ОС РНС является кодовый метод разделения
сигналов. Данный способ предусматривает излучение
сигналов ОС РНС, модулированных псевдослучайными
последовательностями, обладающими хорошими авто – и
взаимокорреляционными свойствами [5].
При работе с кодовым разделением сигналов ОС РНС
все станции работают на одной частоте, а излучаемые
сигналы ОС перекрываются во времени. В этом случае, с
целью исключения воздействия мощного сигнала от
ближайшей излучающей антенны (точка А ), в приёмнике
(точка A' ) используется автокомпенсатор (АК) мощного
сигнала [6], реализованный в соответствии со схемой,
приведенной на рис. 3.
hA
ПФ
+
ЛЗ
БВС

а
БИПЧ
К
Рис. 3. Структурная схема автокомпенсатора мощного сигнала
Автокомпенсатор включает в себя полосовой фильтр
(ПФ), обеспечивающий необходимую избирательность по
соседнему каналу, блок восстановления формы мощного
сигнала (БВС), линию задержки (ЛЗ), величина задержки
в которой соответствует времени, необходимому для
формирования сигнала в БВС, схему управления
корреляционной обратной связью (К), сумматор (∑) и
блок измерения погрешностей часов (БИПЧ).
При натурных испытаниях с излучающей антенной [7]
при её действующей высоте h A =6 м с током 25 А в АК на
выходе ПФ уровень сигнала составляет 0.8 В на приемной
антенне с действующей высотой h A ' = 1.5 м, находящейся
на расстоянии  2 от излучающей. При этом, при приеме
сигналов от ОС, находящейся на расстоянии, например,
500 км при длине волны сигналов  =200 м уровень
сигнала в антенне A' составляет около 1 мкв при
расположении трассы распространения сигналов над
морем [8, с. 321 – 322]. Исходя из приведенных данных,
для приема сигнала удаленной ОС, требуется подавить
мощный сигнал своей ОС в 8 10 5 раз. Указанная
величина подавления вполне реализуема при помощи
предлагаемого автокомпенсатора.
В этом случае сигналы от антенн B и C через антенну
A' будут поступать на вход приемника (рис. 4), при этом
мощный сигнал от антенны A будет подавлен при помощи
автокомпенсатора рис. 3, а сигналы от антенн B и C будут
приниматься без искажений. Это позволит в приемнике
определять величины погрешностей часов t B и t C ,
после чего передавать их в модулятор передатчика ОСА
для излучения их в составе навигационных сигналов для
коррекции ШВ ОС2 (B) и ОС3 (C) бортовой станцией M
(рис. 4).
hA
Передатчик
Предложенный в данной статье метод синхронизации
опорных станций РНС позволяет исключить временное
рассогласование шкал времени наземных опорных
станций на борту потребителя путем приема цифровой
информации от каждой из ОС, несущей наряду со
служебной информацией, информацию о поправках часов.
Наличие в составе каждой из ОС автокомпенсатора
собственного мощного излучаемого сигнала позволяет
непрерывно принимать сигналы других ОС, что позволяет
решать задачу определения поправок к их временным
шкалам в реальном времени без нарушения работы РНС.
Предложенные
методы
повышения
точности
определения координат БС и повышения метрологических
характеристик РНС в целом могут найти применение в
современных РНС с широкополосными сигналами.
ЛИТЕРАТУРА
[1]
[3]
а
Приемник
[4]
[5]
Рис. 4. Приёмо-передающая система ОС
[6]
С целью получения минимальной погрешности
измерения координат, точкой A должна являться точка с
минимальным удалением от места расположения БС (М),
так как
в этом случае значение псевдозадержки
распространения сигнала  Am будут измеряться при
больших отношениях сигнал/шум, а значит с меньшей
погрешностью.
Для реализации этого режима требуется оснастить все
ОС приемными устройствами (рис. 5).
B’
A’
r
r
A
B
С’
r
С
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
[2]
hA
r
При построении РНС в соответствии с рис. 5 приемное
устройство БС будет выбирать из сигналов трех
принимаемых ОС наиболее мощный, и использовать
информацию о погрешностях часов двух других ОС,
переданных составе данного сигнала.
Передача информации о поправках к ШВ может быть
осуществлена в виде резервных сообщений стандарта
передачи дифференциальных поправок RTCM SC-104 [9].
M
Рис. 5. Геометрическая схема РНС с тремя приемопередающими ОС
[7]
[8]
[9]
Шебшаевич, В.С. Сетевые спутниковые радионавигационные
системы / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. //
Под ред. В.С. Шебшаевича. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и
связь. – 1993. – 408 с.: ил.
Болошин,
С.Б.
Радионавигационные
системы
сверхдлинноволнового диапазона / С.Б. Болошин и др. // М.: Радио
и связь. – 1985.
Nard G. Geoloc: Spread spectrum concept applied in new accurate
medium-long range radiopositioning system / G. Nard // France, 1984. –
Sercel.
Syledis network design // Sercel. – France. – 1985.
Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.
Варакин // М.: Радио и связь. – 1985. – 384 с., ил.
Романов, А.П. Система компенсации структурной помехи в виде
псевдослучайного сигнала / А.П. Романов // Датчики и системы –
№3. – 2011.
Айзенберг, Г. З. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С. П.
Белоусов и др. // М.: Радио и связь. – 1985.
Кугушев, А.М. Основы радиоэлектроники / А.М. Кугушев, Н.С.
Голубева // М.: «Энергия». – Москва. – 1969.
RTCM Recommended Standards For Differential GNSS (Global
Navigation Satellite Systems) Service. Future Version 2.2. Future
successor to RTCM recommended standards for differential NAVSTAR
GPS Service Version 2.1. RTCM Special Committee № 104. March 1,
1996.