способ определения местоположения объекта

Формула изобретения

1. Способ определения местоположения объекта, включающий прием радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), их обработку, выбор оптимального рабочего созвездия НКА, вычисление пространственных координат объекта, отличающийся тем, что дополнительно используют оптическое излучение полярных сияний и одновременно осуществляют видеонаблюдение за полярными сияниями, определяют их область распространения, блокируют радиосигналы от НКА с траекториями радиотрасс, проходящих через область полярных сияний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используют камеру видеонаблюдения с полем зрения 180°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радионавигации с использованием радиоволн и может быть использовано в транспортной навигации для определения местоположения объектов в условиях высоких широт и при наличии полярных сияний, а также для освоения природных ископаемых шельфа северных морей.

Введение в эксплуатацию спутниковых радионавигационных систем NAVSTAR(GPS)/ГЛОНАСС обеспечило возможность широкому кругу потребителей определять свое положение на земной поверхности, в Мировом океане и в околоземном пространстве с точностями, ранее доступными только с использованием сложнейших экспериментальных технических средств.

В настоящее время в реальных условиях на дальнейшее повышение точности определения местоположения объектов влияет множество факторов, вносящих погрешности, которые требуют устранения.

Известны дифференциальные способы (Фирсов Ю.Г. Применение спутниковых радионавигационных систем в гидрографии. - СПб.: Изд. ГМА им. С.О.Макарова, 2004, с.35), компенсирующие погрешности. В основе этих дифференциальных способов лежит относительное постоянство значительной части погрешностей измерения псевдодальности в пространстве и времени. Дифференциальный режим работы предполагает наличие как минимум двух комплектов навигационной аппаратуры, расположенных в различных точках пространства. Причем один комплект должен быть расположен в точке с известными пространственными координатами (дифференциальная станция), а второй - на допустимом удалении (роверная станция). Дифференциальная станция должна быть максимально возможно точно привязана к пространственной системе координат. Разности измеренных псевдодальностей до каждого комплекта и дальностей, рассчитанных по известным координатам дифференциальной станции, представляют собой дифференциальные поправки.

Недостатками известных способов являются усложнение эксплуатации и работы радионавигационных систем за счет расширения комплексов аппаратных устройств потребителей и сокращенной дальности действия на расстояние от дифференциальных станций от 30 до 200 км. Известные способы в условиях высоких широт, в удалении от дифференциальных станций, не могут применяться в системах ГЛОНАСС/GPS при определении местонахождения с повышением точности определения местоположения.

Известен способ обнаружения ионосферного возмущения и определения местоположения его источника (пат. РФ № 2189051, опубл. 10.09.2002). Способ позволяет выявлять вносимые погрешности в работу ГЛОНАСС/GPS, возникающие на трассах распространения сигнала, которые могут быть учтены при применении системы GPS для определения местонахождения в высоких широтах. Способ основан на анализе данных, полученных в результате обработки сигналов, принятых двухчастотными приемниками радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS, расположенных в узлах решетки, при количестве приемников много больше 3 с дополнительной комплексной математической обработкой данных.

Недостатками такого способа являются усложнение эксплуатации и работы, использование расширенного количества аппаратных устройств, разнесенных для создания узлов решетки, и создание дополнительной системы связи между ними. Известный способ в условиях высоких широт из-за недостаточного насыщения региона приемными устройствами радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), вычислителей для обработки сигнала и выделения навигационной информации для работы в системе измерительной решетки не может применяться в системах ГЛОНАСС/GPS при определении местонахождения с повышением точности его позиционирования.

Известен способ избыточных одночастотных измерений, включающий проведение измерений по нескольким (более 8) НКА, осуществление усреднения пространственных характеристик ионосферы, выбор оптимального рабочего созвездия НКА (Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005, с.104-107). Способ частично учитывает не поддающиеся прогнозированию погрешности, возникающие на трассах распространения в высоких широтах в периоды полярных сияний и связанные с ними непредсказуемые ионосферные неоднородности. Данный способ наиболее близок к предлагаемому способу и принят за прототип.

Недостатком известного способа является усреднение пространственных характеристик ионосферы по трассам распространения от рабочего созвездия по нескольким навигационным космическим аппаратам (НКА) с учетом неблагоприятных трасс, увеличивающих составляющую погрешности.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности определения местоположения объектов, находящихся в высоких широтах в периоды полярных сияний.

Для достижения указанного технического результата в способе определения местоположения объекта, включающем прием радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), их обработку, выбор оптимального рабочего созвездия НКА, вычисление пространственных координат объекта, дополнительно используют оптическое излучение полярных сияний и одновременно осуществляют видеонаблюдение за полярными сияниями, определяют их область распространения, блокируют радиосигналы от НКА с траекториями радиотрасс, проходящих через область полярных сияний.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения местоположения объекта от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

- дополнительное использование оптического излучения полярных сияний;

- одновременное осуществление видеонаблюдения за полярными сияниями,

- определение их области распространения,

- блокирование радиосигналов от НКА с траекториями радиотрасс, проходящих через область полярных сияний.

Благодаря наличию этих признаков снижаются погрешности и повышается точность определения местоположения объекта.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу определения местоположения объекта, находящегося в высоких широтах, для повышения точности определения его местоположения снижают влияние ионосферных неоднородностей на трассах распространения, связанных с полярными сияниями. При применении способа используют космический сегмент, радиочастотный тракт для приема радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) и вычислитель для обработки сигналов и выделения навигационной информации, производят выбор оптимального рабочего созвездия НКА. При этом дополнительно используют оптическое излучение полярных сияний и одновременно осуществляют видеонаблюдение за ними, определяют их области распространения. Блокируют радиосигналы от навигационных космических аппаратов (НКА) с траекториями радиотрасс, проходящих через области полярных сияний, выявленных при использовании оптического видеонаблюдения, и используют только радиосигналы от навигационных космических аппаратов (НКА) с траекториями радиотрасс вне этих областей.

Предлагаемый способ определения местоположения объекта иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 представлен график изменения Н-компоненты напряженности геомагнитного поля во времени, данные зарегистрированы на норвежской станции Бьёрноя, на фиг.2 - график изменения точности определения местоположения объекта во времени на станции Мурманск, на фиг.3 - кеограмма камеры всего неба в Соданкюля (Норвегия).

Способ осуществляется следующим образом.

Для приема радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) используют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов и их первичная обработка, вычислитель для вторичной обработки сигналов и выделения навигационной информации. Производят выбор оптимального рабочего созвездия НКА и вычисление пространственных координат и вектора скорости объекта с последующим определением его географических координат. В высоких широтах ионосферные неоднородности трасс распространения, связанные с полярными сияниями, вносят основные непредсказуемые погрешности, значительно снижая точность определения географических координат объекта. Для исключения влияния этих ионосферных неоднородностей, связанных с полярными сияниями, и повышения точности определения местоположения объекта дополнительно используют оптическое излучение полярных сияний и одновременно осуществляют их видеонаблюдение для определения областей распространения полярных сияний. Затем производят выбор оптимального рабочего созвездия НКА и вычисляют пространственные координаты объекта. При этом блокируют радиосигналы от НКА с траекториями радиотрасс, проходящих через области полярных сияний, таким образом снижаются погрешности и повышается точность определения местоположения объекта. Проведенные экспериментальные исследования изменения точности определения местоположения объекта с помощью GPS во время развития авроральных возмущений, часть результатов которых представлена на фиг.1-3, подтверждают достижение технического результата с использованием предлагаемого способа.

Во время экспериментов навигационный приемник работал в режиме полного обзора неба и принимал навигационную информацию от достаточно большого (избыточного) количества (как правило, от двенадцати) НКА, что гарантировало возможность выбирать для обработки оптимальное рабочее созвездие НКА. Радиосигналы этих спутников распространялись через ионосферу авроральной зоны и полярной шапки, которая практически постоянно возмущена. На фиг.1 приведен график изменения Н компоненты напряженности геомагнитного поля во времени, данные зарегистрированы на норвежской станции Бьёрноя в интервале времени с 18 ч 01 мин по 24 ч 01 мин 25 марта. На фиг.2 представлен график изменения точности определения местоположения объекта в направлении Север-Юг с помощью GPS в интервале времени с 18 ч 01 мин по 24 ч 01 мин 25 марта. Анализ данных, представленных на фиг.1, 2, показывает, что в отдельные моменты точность определения местоположения объекта в меридиональном направлении снижалась. В период времени с 21:26 UT (универсальное время) до 22:54 UT (универсальное время) навигационный приемник переставал нормально функционировать, что совпало во времени с резкой отрицательной бухтой в Н компоненте поля на станции Бьёрноя (Bjornoya). На фиг.3 приведена кеограмма камеры всего неба в Соданкюля, на ней отображены появления дискретных форм, которые отражают ход полярных сияний. Анализ всех фиг.1, 2, 3 показывает, что максимальные погрешности, наблюдаемые около 21 ч 00, а также полное нарушение работы системы в период с 22 ч 20 мин до 22 ч 40 мин совпадали с появлением дискретных форм полярных сияний. Сравнительный анализ полученных в эксперименте материалов дает основания полагать, что амплитуда вариаций геомагнитного поля гораздо менее информативна в качестве диагностического признака ошибок определения местоположения объекта с помощью GPS в высоких широтах, чем пространственно-временные вариации интенсивности форм полярных сияний.

Для использования способа определения местоположения объекта в высоких широтах дополнительно необходимо использовать камеру видеонаблюдения, регистрирующую полярные сияния, с полем зрения 180 градусов и традиционное средство обработки и передачи информации по областям распространения ионосферных неоднородностей. В периоды полярных сияний от камеры видеонаблюдения информационные сигналы по областям их распространения используют для блокирования радиосигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) с траекториями радиотрасс, проходящих через области полярных сияний, при выборе оптимального рабочего созвездия НКА и вычисления пространственных и географических координат повышенной точности.