RU2022294C1 - Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft - Google Patents
Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2022294C1 RU2022294C1 SU5040093A RU2022294C1 RU 2022294 C1 RU2022294 C1 RU 2022294C1 SU 5040093 A SU5040093 A SU 5040093A RU 2022294 C1 RU2022294 C1 RU 2022294C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coordinates
- frequency
- signals
- objects
- radio
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 9
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 abstract 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 9
- CMSGUKVDXXTJDQ-UHFFFAOYSA-N 4-(2-naphthalen-1-ylethylamino)-4-oxobutanoic acid Chemical compound C1=CC=C2C(CCNC(=O)CCC(=O)O)=CC=CC2=C1 CMSGUKVDXXTJDQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 239000005433 ionosphere Substances 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000005436 troposphere Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической радионавигации, геодезии и может быть использовано для определения курсового угла и координат местоположения объектов, а также для измерений траекторий искусственных спутников Земли и создания на подвижных объектах высокоточной опорной системы координат. The invention relates to the field of space radio navigation, geodesy and can be used to determine the course angle and coordinates of the location of objects, as well as to measure the trajectories of artificial Earth satellites and create a highly accurate reference coordinate system on moving objects.
Известен способ определения местоположения и определения угловой ориентации на плоскости с использованием интерферометров с короткой базой, образованной двумя пространственно разнесенными антеннами, определяющих разность фаз несущих частот принятых сигналов двух навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). A known method for determining the location and determining the angular orientation on the plane using interferometers with a short base formed by two spatially separated antennas that determine the phase difference of the carrier frequencies of the received signals of two navigational artificial Earth satellites (NISS).
Недостатками известного способа являются: ошибки, обусловленные эфемеридными данными; ошибки, обусловленные погрешностями определения координат центра базовой линии; ошибки, обусловленные угловым перемещением антенн; ошибки при разрешении неоднозначности фазовых измерений; ошибки, обусловленные нестабильностью частоты радиосигналов НИСЗ и генераторов объектов. The disadvantages of this method are: errors due to ephemeris data; errors due to errors in determining the coordinates of the center of the baseline; errors due to the angular movement of the antennas; errors in resolving the ambiguity of phase measurements; errors caused by the instability of the frequency of radio signals NISZ and generators of objects.
Известен также способ по измерениям псевдодальности, измеренные с помощью четырех приемников сигналов НИСЗ, антенны которых установлены на объектах таким образом, что они образуют прямоугольную систему координат. There is also a known method for measuring pseudorange, measured using four receivers of NISH signals, the antennas of which are mounted on objects in such a way that they form a rectangular coordinate system.
Недостатками этого способа являются ошибки, обусловленные эфемеридными данными и погрешностями определения координат центра баз (центра координат); ошибки, обусловленные нестабильностью частот радиосигналов НИСЗ и генераторов объектов; ошибки, обусловленные угловым перемещением антенн в процессе движения объектов; невозможность построения опорной системы координат на подвижном объекте, например, на качающем надводном корабле. The disadvantages of this method are errors due to ephemeris data and errors in determining the coordinates of the center of the bases (center of coordinates); Errors due to the instability of the frequencies of the NISS radio signals and object generators; errors caused by the angular movement of the antennas during the movement of objects; the impossibility of constructing a reference coordinate system on a moving object, for example, on a swinging surface ship.
Цель изобретения - повышение точности определения курсового угла, координат местоположения объектов по радиосигналам космических аппаратов (КА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) и создания на подвижных объектах высокоточной опорной системы координат. The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the heading angle, the coordinates of the location of objects from the radio signals of spacecraft (SC) of satellite radio navigation systems (SRNS) and the creation of mobile objects with a high-precision reference coordinate system.
Это достигается тем, что при предлагаемом способе для определения курсового угла, координат местоположения объектов, создания на подвижных объектах высокоточной опорной системы координат и повышения помехозащищенности навигационных радиолиний производится одновременный прием каждым антенно-приемным устройством взаимно ортогональных пар, одно из которых в паре является ведущим, а другое ведомым, одночастотного навигационного радиосигнала одного и того же спутника, выделение в ведомых приемных устройствах колебаний с частотой, равной разности частот Доплера, принятые ведущими и ведомыми антенно-приемными устройствами путем использования в качестве гетеродинных сигналов в преобразователях ведомых антенно-приемных устройств сигналов генераторов управляющих напряжением систем фазовой автоподстройки частот (ФАПЧ) ведущих антенно-приемных устройств, определение отношения разности доплеровских приращений и определение курсового угла, координат местоположения объектов. This is achieved by the fact that with the proposed method for determining the heading angle, the coordinates of the location of the objects, creating a highly accurate reference coordinate system on moving objects and increasing the noise immunity of the navigation radio lines, each antenna receiving device simultaneously receives mutually orthogonal pairs, one of which is the leading one, and the other a slave, a single-frequency navigation radio signal of the same satellite, the allocation in the slave receiving devices of oscillations with a frequency equal the difference of Doppler frequencies adopted by the master and slave antenna receivers by using the voltage generator phase-locked loop (PLL) signals of the master antenna receivers as the heterodyne signals in the converters of the slave antenna receivers, determining the ratio of the difference between the Doppler increments and determining heading angle, location coordinates of objects.
Известный способ характеризуется следующей совокупностью действий над принимаемыми спутниковыми радионавигационными сигналами: прием четырьмя антенно-приемными устройствами двухчастотных навигационных радиосигналов НИСЗ; выделение каждым приемным устройством доплеровского сдвига частоты путем использования сигналов генераторов управляющих напряжением систем ФАПЧ; определение набега фазы колебаний с частотой Доплера путем интегрирования их на мерном интервале; определение координат местоположения объектов; определение курсового угла объектов. The known method is characterized by the following set of actions on received satellite radio navigation signals: reception by four antenna-receiving devices of two-frequency navigation radio signals NISS; the allocation by each receiving device of a Doppler frequency shift by using the signals of the generators controlling the voltage of the PLL systems; determination of the phase incursion of oscillations with the Doppler frequency by integrating them on a measured interval; determination of the coordinates of the location of objects; determination of the course angle of objects.
Физическая сущность известного решения (прототипа) заключается в выделении каждым приемным устройством из принятых радиосигналов соответствующих НИСЗ доплеровского сдвига частоты и определении набега фазы колебаний с частотой Доплера (разности дальности (Δ R) на мерном интервале
ΔR = Fд(t)·dt= (fo-fп)dt =
= (fo-fп)·(t2-t1) + [R1(t2)-R1(t1)] где t1 и t2 - время передачи временных меток НИСЗ;
R1(t1) и R1(t2) - расстояние между фазовыми центрами антенн определяющегося объекта и НИСЗ;
Fд (t) - частота Доплера;
fп - частота принимаемого сигнала;
fп = fи ± Δ fи + Δ fио + Δ fтр + Δ fгр +
+Δ fвч + Δ fпч + Δ fтш ± Δ fугл + Δ fдр, где fи - частота сигнала, излучаемая НИСЗ;
± Δ fп - нестабильность излучаемой частоты;
Δ fио, Δ fтр - неизвестные сдвиги частоты, обусловленные распространением сигналов в ионосфере и тропосфере;
Δ fгр - неизвестный сдвиг частоты, обусловленный гравитационными силами;
Δ fтш, Δ fпч, Δ fвч - нестабильность частоты, обусловленная высокочастотными трактами приемных устройств, промежуточными и температурой;
Δ fугл - приращение частоты за счет углового движения антенн (угловое перемещение антенн относительно центра масс объекта);
Δ fдр - нестабильность частоты, обусловленная другими факторами;
с - скорость света;
fо - частота сигнала опорного генератора (генератора объекта);
fo = fи + Δ fo ± Δ f, где fо - известный постоянный сдвиг частоты (частотная подставка);
±Δ f - нестабильность опорного генератора.The physical essence of the known solution (prototype) consists in the allocation by each receiving device from the received radio signals of the corresponding NLH Doppler frequency shift and determining the phase incidence of the oscillations with the Doppler frequency (range difference (Δ R) on the measured interval
ΔR = F d (t) dt = (f o -f p ) dt =
= (f o -f p ) · (t 2 -t 1 ) + [R 1 (t 2 ) -R 1 (t 1 )] where t 1 and t 2 is the transmission time of the NISS time stamps;
R 1 (t 1 ) and R 1 (t 2 ) - the distance between the phase centers of the antennas of the detected object and NLHIS;
F d (t) is the Doppler frequency;
f p - frequency of the received signal;
f p = f and ± Δ f and + Δ f io + Δ f tr + Δ f gr +
+ Δ f rf + Δ f pch + Δ f tsh ± Δ f angle + Δ f dr , where f and is the frequency of the signal emitted by the NHA;
± Δ f p - instability of the emitted frequency;
Δ f io , Δ f tr - unknown frequency shifts due to the propagation of signals in the ionosphere and troposphere;
Δ f gr - unknown frequency shift due to gravitational forces;
Δ f tsh , Δ f pch , Δ f rf - frequency instability caused by high-frequency paths of receiving devices, intermediate and temperature;
Coal Δ f - frequency increment due to angular motion of antennas (antennas angular displacement relative to the center of mass of the object);
Δ f dr - frequency instability due to other factors;
c is the speed of light;
f about - the frequency of the signal of the reference generator (generator of the object);
f o = f and + Δ f o ± Δ f, where f o is the known constant frequency shift (frequency setting);
± Δ f is the instability of the reference generator.
С учетом изложенного выражение пример вид:
ΔR = [(fи+Δfo± Δf)-(fи± Δfи+ Δfио+Δfтр+Δfтр+Δfвч+Δfпч+ +Δfтш± Δfугл+Δfдр)]· (t2-t1)+ [R1(t2)-R1(t1)] (1)
Выражая дальности через координаты, получим навигационное уравнение
ΔR = _ (2) где X1, Y1, Z1, Х2, Y2, Z2 - координаты фазового центра антенны спутника в моменты времени t1 и t2 соответственно;
Хо, Yo, Zо - неизвестные координаты фазовых центров антенн объекта.Based on the foregoing, an example expression of the form
ΔR = [(f and + Δf o ± Δf) - (f and ± Δf and + Δf io + Δf tr + Δf tr + Δf rf + Δf pc + + Δf rf ± Δf angle + Δf dr )] · (t 2 -t 1 ) + [R 1 (t 2 ) -R 1 (t 1 )] (1)
Expressing the range in terms of coordinates, we obtain the navigation equation
ΔR = _ (2) where X 1 , Y 1 , Z 1 , X 2 , Y 2 , Z 2 are the coordinates of the phase center of the satellite antenna at time t 1 and t 2, respectively;
X o , Y o , Z o - unknown coordinates of the phase centers of the antenna of the object.
Уравнение (2) содержит три неизвестные координаты Хо, Yo, Zо. Цикл измерений каждым антенно-приемным устройством по соответствующему НИСЗ позволит определить координаты Хо, Yo, Zо.Equation (2) contains three unknown coordinates X o , Y o , Z o . The measurement cycle by each antenna receiving device according to the appropriate NLHW will determine the coordinates X o , Y o , Z o .
Зная координаты фазовых центров антенн, образующих прямоугольную систему координат из двух взаимно ортогональных разнесенных в пространстве пар антенн Ан1 - Ан3, Ан2 - Ан4, базы которых соответственно d1 = d2 = d перпендикулярны друг другу (см. фиг.1), а также координаты фазового центра антенны НИСЗ в моменты времени t1, t*, t2 определяются расстояния R1(t*), R3(t*) и R2(t*), R4(t*).Knowing the coordinates of the phase centers of the antennas, forming a rectangular coordinate system of two mutually orthogonal space-separated pairs of antennas An 1 - An 3 , An 2 - An 4 , the bases of which, respectively, d 1 = d 2 = d are perpendicular to each other (see figure 1 ), as well as the coordinates of the phase center of the NHAW antenna at time t 1 , t *, t 2 , the distances R 1 (t *), R 3 (t *) and R 2 (t *), R 4 (t *) are determined.
По определяющимся расстояниям определяются разности расстояний Δ R1,3(t*) и Δ R2,4(t*), которые связаны с азимутом α и углом места β НИСЗ следующими соотношениями:
ΔR1,3(t*)= · sinα·cosβ (3)
ΔR2,4(t*)= · cosα·cosβ (4)
Определив разности дальностей ΔR1,3(t*), Δ R2,4(t*) можно найти курсовой угол из совместного решения уравнений (3), (4).From the determined distances, the distance differences Δ R 1,3 (t *) and Δ R 2,4 (t *) are determined, which are associated with the azimuth α and elevation angle β of the NLHA with the following relations:
ΔR 1.3 (t * ) = Sinα cosβ (3)
ΔR 2,4 (t * ) = Cosα cosβ (4)
Having determined the range differences ΔR 1.3 (t *), Δ R 2.4 (t *), we can find the course angle from the joint solution of equations (3), (4).
α= arctg (5)
Предлагаемый способ характеризуется следующей совокупностью действий:
одновременный прием четырьмя приемными устройствами одночастотного навигационного радиосигнала одного и того же НИСЗ, антенны которых пространственно взаимно ортогонально разнесены между собой, образуя прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объекта;
выделение колебаний с частотой, равной разности доплеровских сдвигов частоты в каждой ортогональной паре, принятых антенно-приемными устройствами, одно из которых в каждой паре является ведущим, а другое ведомым, путем использования в ведомых приемных устройствах в качестве гетеродинных сигналов сигналов генераторов управляющих напряжением ФАПЧ ведущих приемных устройств;
измерение разностей доплеровских сдвигов частоты;
измерение отношения разностей доплеровских приращений;
определение курсового угла;
определение координат местоположения объекта.α = arctg (5)
The proposed method is characterized by the following set of actions:
simultaneous reception by four receivers of a single-frequency navigation radio signal of the same NESA, the antennas of which are spatially mutually orthogonally spaced from each other, forming a rectangular coordinate system whose axes are parallel to the axes of the object;
the selection of oscillations with a frequency equal to the difference of the Doppler frequency shifts in each orthogonal pair, received by the antenna-receiving devices, one of which is the master in each pair and the other is the slave, by using the PLL signals of the generators that control the voltage of the PLL as the heterodyne signals receiving devices;
measurement of differences of Doppler frequency shifts;
measuring the difference ratio of Doppler increments;
determination of the heading angle;
determining the coordinates of the location of the object.
Геометрическая интерпретация предлагаемого способа поясняется на примере одной ортогональной базовой линии, образованной двумя разнесенными антеннами Ан1 и Ан3 (см. фиг.2) и других положений НИСЗ.The geometric interpretation of the proposed method is illustrated by the example of one orthogonal base line formed by two spaced antennas An 1 and An 3 (see figure 2) and other provisions of the NLHA.
Точками t1, t*, t2 обозначены положения НИСЗ на орбите, являющиеся границами отсчетов навигационного параметра. Использование теоремы косинусов и разложения в ряд а членами не выше второго порядка для двух положений позволяет получить:
Для антенны Ан1:
≈ 1 + · cosγ1+ ·
≈ 1 - · cosγ1+ ·
ΔR1(t*)= R1(t2)-R1(t1)= t2·t1·cosγ1
Для антенны Ан3:
≈ 1 - · cosγ3+ ·
≈ 1 + · cosγ3+ ·
ΔR3(t*)= R3(t2)-R3(t1)= t2·t1·cosγ3
Таким образом каждая разность хода ΔR1(t*), Δ R3(t*) дает информацию о проекции пути пройденного НИСЗ из точки t1 в точку t2 на направление прямых R1(t*), R3(t*), соединяющих точку t* с фазовыми центрами антенн Ан1 и Ан3 определяющегося объекта.Points t 1 , t *, t 2 indicate the position of the NLH in orbit, which are the boundaries of the readings of the navigation parameter. Using the cosine theorem and expanding in a series by members no higher than the second order for two positions allows us to obtain:
For antenna An 1 :
≈ 1 + Cosγ 1 + ·
≈ 1 - Cosγ 1 + ·
ΔR 1 (t * ) = R 1 (t 2 ) -R 1 (t 1 ) = t 2 · t 1 · cosγ 1
For An 3 antenna:
≈ 1 - Cosγ 3 + ·
≈ 1 + Cosγ 3 + ·
ΔR 3 (t * ) = R 3 (t 2 ) -R 3 (t 1 ) = t 2 · t 1 · cosγ 3
Thus, each stroke difference ΔR 1 (t *), Δ R 3 (t *) gives information about the projection of the path traveled by the NISS from point t 1 to point t 2 on the direction of lines R 1 (t *), R 3 (t *) connecting the point t * with the phase centers of the antennas An 1 and An 3 of the detected object.
Вторично используя теорему косинусов и разложения в ряд с членами не выше второго порядка для НИСЗ, находящегося в точке t*, можно получить:
Для антенны Ан1:
≈ 1 + + ·
Для антенны Ан3:
≈ 1 - + ·
Как отмечалось, дальности R1(t*) и R3(t*) содержат в себе проекции пути, пройденного НИСЗ из точки t1 в точку t2. Поэтому, беря разницу Δ R1,3(t*) = R1(t*) - R3(t*), находим информацию о проекции разности дальностей между фазовым центром антенны НИСЗ в точке t* и фазовыми центрами антенн определяющегося объекта
ΔR1,3(t*)= [R1(t2)-R1(t1)] - [R3(t2)-R3(t1)]=
= t2·t1(cosγ1-cosγ3) = R1(t*) -R3(t*) (6)
Двойная разность дальностей Δ R1,3(t*) дает информацию о проекции базовой линии на направление к прямой R(t*), соединяющей среднюю точку базы (базовой линии) с фазовым центром антенны НИСЗ в момент времени t*,
t* =
Аналогично выводятся соотношения для второй ортогональной пары, образованной пространственно-разнесенными антеннами Ан2 и Ан4.For the second time, using the theorem of cosines and expansion in a series with terms no higher than second order for the NESA located at the point t *, we can obtain:
For antenna An 1 :
≈ 1 + + ·
For An 3 antenna:
≈ 1 - + ·
As noted, the ranges R 1 (t *) and R 3 (t *) contain the projection of the path traveled by the NLHA from point t 1 to point t 2 . Therefore, taking the difference Δ R 1,3 (t *) = R 1 (t *) - R 3 (t *), we find information on the projection of the distance difference between the phase center of the NHA antenna at point t * and the phase centers of the antennas of the target
ΔR 1,3 (t * ) = [R 1 (t 2 ) -R 1 (t 1 )] - [R 3 (t 2 ) -R 3 (t 1 )] =
= t 2 · t 1 (cosγ 1 -cosγ 3 ) = R 1 (t * ) -R 3 (t * ) (6)
The double range difference Δ R 1.3 (t *) gives information about the projection of the baseline on the direction to the straight line R (t *) connecting the midpoint of the base (baseline) with the phase center of the NISS antenna at time t *,
t * =
Similarly, the relations for the second orthogonal pair formed by spatially separated antennas An 2 and An 4 are derived.
ΔR2,4(t*)= [R2(t2)-R2(t1)] - [R4(t2)-R4(t1)]=
= t2·t1(cosγ2-cosγ4) = R2(t*) -R4(t*) (7)
α= arctg = (8)
Таким образом алгоритм определения курсового угла объекта предлагаемого способа по радиосигналу одного и того же спутника с использованием взаимно ортогональных пар антенно-приемных устройств, выражение (8) есть алгоритм, использующий двойную разность дальностей от фазовых центров антенн интерферометра определяющегося объекта до фазового центра антенны НИСЗ для двух его положений t1 и t2.ΔR 2,4 (t * ) = [R 2 (t 2 ) -R 2 (t 1 )] - [R 4 (t 2 ) -R 4 (t 1 )] =
= t 2 · t 1 (cosγ 2 -cosγ 4 ) = R 2 (t * ) -R 4 (t * ) (7)
α = arctg = (8)
Thus, the algorithm for determining the heading angle of the object of the proposed method from the radio signal of the same satellite using mutually orthogonal pairs of antenna-receiving devices, expression (8) is an algorithm that uses the double distance difference from the phase centers of the antennas of the interferometer of the detected object to the phase center of the NISS antenna for its two positions t 1 and t 2 .
Навигационному параметру - двойной разности дальностей соответствует измеряемый радионавигационный параметр - разность доплеровских сдвигов частоты (Fд1 - Fд3) и (Fд2 - Fд4) взаимно ортогональных пар.The navigation parameter - double range difference corresponds to the measured radio navigation parameter - the difference of the Doppler frequency shifts (F d1 - F d3 ) and (F d2 - F d4 ) mutually orthogonal pairs.
Аналитически с учетом того, что число излучаемых циклов между временными метками t1 и t2 равно числу принятых циклов между t1+ , t2+ и t1+ , t2+ , это будет иллюстрироваться следующим образом:
ΔR1,3(t*) = Fд1(t)·dt (t)·dt =
= fo-fп1)dt - (fo-fпз)dt =
= dt dt - (9)
= {(fo-fи)·(t2-t1)+ [R1(t2)-R1(t1)]} -
= {(fo-fи)·(t2-t1)+ [R3(t2)-R3(t1)]} где с - скорость света;
fп1, fп3 - частоты, принимаемые антеннами Ан1, Ан3 соответственно и определяемые частотой излучаемой НИСЗ (fи) и доплеровским сдвигом из-за движения спутника и определяющегося объекта.Analytically, taking into account the fact that the number of emitted cycles between time stamps t 1 and t 2 is equal to the number of received cycles between t 1 + , t 2 + and t 1 + , t 2 + , this will be illustrated as follows:
ΔR 1.3 (t * ) = F d1 (t) dt (t) dt =
= f o -f p1 ) dt - (f o -f pz ) dt =
= dt dt - (9)
= {(f o -f u ) · (t 2 -t 1 ) + [R 1 (t 2 ) -R 1 (t 1 )]} -
= {(f o -f u ) · (t 2 -t 1 ) + [R 3 (t 2 ) -R 3 (t 1 )]} where c is the speed of light;
f p1 , f p3 are the frequencies received by the antennas An 1 , An 3, respectively, and determined by the frequency of the emitted NISS (f and ) and the Doppler shift due to the movement of the satellite and the detected object.
t1+ , t2+ , t1+ , t2+ - времена приема временных меток потребителем, которое передавались в моменты времени t1 и t2;
, , , - соответствующие задержки на участках R1(t1), R1(t2), R3(t1), R3(t2) (расстояния фазовый центр антенн НИСЗ - фазовые центры антенн определяющегося объекта).t 1 + , t 2 + , t 1 + , t 2 + - the times of receiving timestamps by the consumer, which were transmitted at time t 1 and t 2 ;
, , , - the corresponding delays in the sections R 1 (t 1 ), R 1 (t 2 ), R 3 (t 1 ), R 3 (t 2 ) (distance, the phase center of the NISS antennas is the phase centers of the antennas of the detected object).
Аналогично выводятся соотношения для второй ортогональной пары, образованной антеннами Ан2 и Ан4
ΔR2,4(t*)= {(fo-fи)·(t2-t1)+ [R2(t2)-R2(t1)]} -
- {(fo-fи)·(t2-t1)+ [R4(t2)-R4(t1)]} (10)
С учетом выражения (5), выражение для курсового угла запишется следующим образом:
α= arctg (11)
Сравнивая выражение (8) геометрической интерпретации работы предлагаемого способа, определяющее курсовой угол, с выражением (11) аналитической интерпретации, видим, что они идентичны.Similarly, the relations are derived for the second orthogonal pair formed by the antennas An 2 and An 4
ΔR 2,4 (t * ) = {(f o -f u ) · (t 2 -t 1 ) + [R 2 (t 2 ) -R 2 (t 1 )]} -
- {(f o -f u ) · (t 2 -t 1 ) + [R 4 (t 2 ) -R 4 (t 1 )]} (10)
Given the expression (5), the expression for the heading angle is written as follows:
α = arctg (eleven)
Comparing the expression (8) of the geometric interpretation of the work of the proposed method, which determines the course angle, with the expression (11) of the analytical interpretation, we see that they are identical.
Как отмечалось выше, каждой двойной разности дальности, определяющей курсовой угол, соответствует разность доплеровских сдвигов частоты. Причем, разность доплеровских сдвигов частоты определяется не аналитически, а выделяется аппаратурно путем использования в ведомых приемных устройствах в качестве гетеродинных сигналов сигналов генераторов управляющих напряжением ФАПЧ ведущих приемных устройств. As noted above, each double range difference that determines the course angle corresponds to a difference in Doppler frequency shifts. Moreover, the difference of the Doppler frequency shifts is not determined analytically, but is allocated by hardware by using the signals of the generators controlling the PLL voltage of the leading receiving devices as local oscillator signals.
Физика выделения разности доплеровских сдвигов частоты, принятая каждым антенно-приемным устройством (ведущими и ведомыми), заключается в следующем. Вследствие того, что антенны взаимно ортогональных пар пространственно разнесены между собой, приращения частоты принимаемого радиосигнала одного и того же НИСЗ, обусловленные эффектом Доплера, будут разными. Системы ФАПЧ ведущих приемных устройств ортогональных пар, отслеживая измененные частоты принимаемого сигнала, изменяют соответственно частоты генераторов, управляющих напряжением (ГУН) ведущих приемных устройств так, чтобы на выходах смесителей частоты выделенных сигналов были постоянными. The physics of distinguishing the difference of Doppler frequency shifts adopted by each antenna receiving device (masters and slaves) is as follows. Due to the fact that the antennas of mutually orthogonal pairs are spatially spaced from each other, the frequency increments of the received radio signal of the same NDH, due to the Doppler effect, will be different. PLL systems of the leading receiving devices of orthogonal pairs, tracking the changed frequencies of the received signal, respectively change the frequencies of the generators that control the voltage (VCO) of the leading receiving devices so that the frequencies of the extracted signals are constant at the outputs of the mixers.
Одновременно сигналы ГУН ведущих приемных устройств поступают на преобразователи ведомых приемных устройств. At the same time, the VCO signals of the leading receiving devices are fed to the converters of the slave receiving devices.
В процессе преобразования в смесителях ведомых устройств неизвестные сдвиги частоты, обусловленные нестабильностью сигналов НИСЗ, условиями распространения радиоволн, а также гравитационными и другими силами, условиями, описываемые соответственно выражениями
(fи ± Fд1 ± Δ fи + Δ fио + Δ fтр + Δ fгр +
+ fвч + Δ fпч + Δ fтш ± Δ fугл + Δfдр) -
- (fг ± Fд3 ± Δ fи + Δ fио + Δ fтр + Δ fгр +
+ fвч + Δ fпч + Δ fтш ± Δ fугл + Δ fдр) =
= fпр ± (Fд1 + Fд3) и
(fи ± Fд2 ± Δ fи + Δ fио + Δ fтр + Δ fгр +
+ fвч + Δ fпч + Δ fтш ± Δ fугл + Δ fдр) -
- (fг ± Fд4 ± Δ fи + Δ fио + Δ fтр + Δ fгр +
+ Δ fвч + Δ fпч + Δ fтш ± Δ fугл + fдр) =
= fпр ± (Fд2 - Fд4), исключатся и на выходах преобразователей выделятся сигналы промежуточной частоты, значения которых изменяются прямо пропорционально разностям доплеровских сдвигов частоты, принятых ведущими и ведомыми приемными устройствами каждой ортогональной пары. Частотным компаратором на один вход которого поступает промежуточная частота с одного ведомого антенно-приемного устройства, а на другой вход - с другого, производится измерение отношения разностей доплеровских сдвигов частоты.In the process of converting in slave mixers, unknown frequency shifts due to the instability of the NESA signals, propagation conditions of the radio waves, as well as gravitational and other forces, conditions described respectively by the expressions
(f and ± F d1 ± Δ f and + Δ f io + Δ f tr + Δ f gr +
+ f rf + Δ f pc + Δ f rf ± Δ f angle + Δf dr ) -
- (f g ± F d3 ± Δ f and + Δ f io + Δ f tr + Δ f gr +
+ f rf + Δ f pc + Δ f rf ± Δ f angle + Δ f dr ) =
= f pr ± (F d1 + F d3 ) and
(f and ± F d2 ± Δ f and + Δ f io + Δ f tr + Δ f gr +
+ f rf + Δ f pc + Δ f rf ± Δ f angle + Δ f dr ) -
- (f g ± F d4 ± Δ f and + Δ f io + Δ f tr + Δ f gr +
+ Δ f rf + Δ f pc + Δ f tf ± Δ f angle + f dr ) =
= f pr ± (F d2 - F d4 ), the intermediate frequency signals are selected at the outputs of the converters, the values of which vary directly in proportion to the differences in the Doppler frequency shifts received by the master and slave receivers of each orthogonal pair. A frequency comparator receives an intermediate frequency at one input from one slave antenna receiving device, and at another input from another, the ratio of the differences of the Doppler frequency shifts is measured.
Отношение разностей доплеровских сдвигов частоты выделение во взаимно ортогональных парах антенно-приемных устройств и есть навигационный параметр, определяющий курсовой угол определяющегося объекта и функциональную зависимость (навигационное уравнение) между известными координатами НИСЗ и неизвестными координатами объекта. При аналитической интерпретации двойной разности дальностей вывод уравнений (9), (10) для измерения двойной разности дальностей на мерном интервале t1 и t2 необходимо измерить набег фазы колебаний с частотой, равной разности доплеровских сдвигов частоты на интервалах
t1+ ; t2+
и
t1+ ; t2+ для каждой ортогональной пары соответственно. Набег фазы колебаний с частотой, равной разности доплеровских сдвигов частоты на интервале t1и t2, можно получить с использованием измерений самой разностной частоты, а именно:
Δ φ = Δ Fд(t*) (t2 - t1) (12)
С учетом выражения (12), выражение (8) примет вид
α= arctg = (13)
Уравнение (13) является прямым измерением отношения выделенных значений разностей доплеровских сдвигов частоты в каждой ортогональной паре антенно-приемных устройств на момент времени , в котором отсутствуют погрешности измерения радионавигационного параметра за счет условий распространения радиоволн, углового перемещения антенн, погрешности, обусловленные кратковременной нестабильности частоты спутникового и опорного генераторов, погрешности, обусловленные гравитационным эффектом, радиотрактами и антеннами приемного устройства, а также другими эффектами более высокого порядка малости.The ratio of the differences of the Doppler frequency shifts in the mutually orthogonal pairs of antenna receivers is the navigation parameter that determines the heading angle of the detected object and the functional dependence (navigation equation) between the known NISS coordinates and the unknown coordinates of the object. In the analytical interpretation of the double range difference, the derivation of equations (9), (10) for measuring the double range difference in the measured interval t 1 and t 2, it is necessary to measure the phase shift of the oscillations with a frequency equal to the difference of the Doppler frequency shifts in the intervals
t 1 + ; t 2 +
and
t 1 + ; t 2 + for each orthogonal pair, respectively. The incursion of the oscillation phase with a frequency equal to the difference between the Doppler frequency shifts in the interval t 1 and t 2 can be obtained using measurements of the difference frequency itself, namely:
Δ φ = Δ F d (t *) (t 2 - t 1 ) (12)
Given expression (12), expression (8) takes the form
α = arctg = (thirteen)
Equation (13) is a direct measurement of the ratio of the extracted values of the differences of the Doppler frequency shifts in each orthogonal pair of antenna receivers at a time in which there are no errors in the measurement of the radio navigation parameter due to the propagation conditions of the radio waves, the angular displacement of the antennas, errors due to short-term frequency instability of the satellite and reference generators, errors due to the gravitational effect, radio paths and antennas of the receiving device, as well as other effects of a higher order of smallness.
Определение курсового угла позволяет реализовать например, азимутальный или разностно-азимутальный метод определения координат местоположения объектов
cosα =
где Х'о , Y'o , Z'o - неизвестные координаты объекта (координаты точки пересечения баз);
b - малая полуось референц-эллипсоида;
X*,Y*,Z* - координаты фазового центра антенн спутника в точке t*.Determining the course angle allows you to implement, for example, an azimuthal or difference-azimuthal method for determining the coordinates of the location of objects
cosα =
where X ' o , Y' o , Z ' o - unknown coordinates of the object (coordinates of the point of intersection of the bases);
b - minor axis of the reference ellipsoid;
X *, Y *, Z * are the coordinates of the phase center of the satellite antennas at t *.
Физическая сущность предлагаемого решения по выделению разностей доплеровских сдвигов частоты эквивалентна работе следящей системы, отслеживающей в двух взаимно ортогональных плоскостях направления фазовый центр антенны спутника - центр пересечения баз (центр выбранной системы координат) объекта, в которой компенсируется приращение частоты за счет углового движения антенн как НИСЗ, так и определяющегося объекта. The physical nature of the proposed solution for distinguishing differences in Doppler frequency shifts is equivalent to the work of a tracking system that tracks in two mutually orthogonal directional planes the satellite antenna phase center - the center of intersection of the bases (center of the selected coordinate system) of the object, in which the frequency increment is compensated due to the angular motion of the antennas as NISS , and the defined object.
Поэтому система из четырех приемных устройств, антенны которых пространственно разнесены между собой, образуя прямоугольную систему координат, позволяет реализовать построение на подвижном объекте высокоточной опорной системы координат. Therefore, a system of four receiving devices, the antennas of which are spatially spaced from each other, forming a rectangular coordinate system, allows the construction of a high-precision reference coordinate system on a moving object.
Отличительные признаки предложенного способа:
одновременный прием каждым антенно-приемным устройством взаимно ортогональных пар, одно из которых в паре является ведущим, а другое - ведомым одночастотного навигационного радиосигнала одного и того же НИСЗ;
выделение в ведомых приемных устройствах колебаний с частотой, равной разности частот Доплера, принятых ведущими и ведомыми антенно-приемными устройствами, путем использования в качестве гетеродинных сигналов в преобразователях ведомых антенно-приемных устройств сигналов генераторов управляющих напряжением систем фазовой автоподстройки частоты ведущих антенно-приемных устройств;
измерение отношения разностей доплеровских приращений частоты;
определение курсового угла объекта;
определение координат местоположения.Distinctive features of the proposed method:
the simultaneous reception by each antenna-receiver of mutually orthogonal pairs, one of which is the master in the pair, and the other is the slave of the single-frequency navigation radio signal of the same NESA;
the selection in the slave receiving devices of oscillations with a frequency equal to the difference of the Doppler frequencies received by the master and slave antenna-receiving devices by using the signals of the generators controlling the voltage of the phase-locked loop frequency systems of the leading antenna-receiving devices as heterodyne signals in the converters of the slave antenna-receiving devices;
measuring the difference ratio of Doppler frequency increments;
determination of the course angle of the object;
determination of location coordinates.
Таким образом, предложенный способ определения курсового угла и координат местоположения объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем с помощью четырех антенно-приемных устройств, антенны которых установлены на объекте таким образом, что они образуют прямоугольную систему координат, оси которой параллельны осям объекта, обладает новизной, существенными отличиями и дает при использовании положительный эффект, заключающийся в повышении точности определения курсового угла и координат местоположения, а также создания на подвижном объекте высокоточной опорной системы координат и повышения помехозащищенности навигационной радиолинии. Thus, the proposed method for determining the heading angle and the coordinates of the location of the object from the radio navigation signals of the spacecraft of the satellite radio navigation systems using four antenna-receiving devices whose antennas are mounted on the object so that they form a rectangular coordinate system whose axes are parallel to the axes of the object novelty, significant differences and gives when using a positive effect, which consists in increasing the accuracy of determining the heading angle and coordinate position of the location, as well as the creation of a high-precision reference coordinate system on a moving object and increasing the noise immunity of the navigation radio line.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5040093 RU2022294C1 (en) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5040093 RU2022294C1 (en) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2022294C1 true RU2022294C1 (en) | 1994-10-30 |
Family
ID=21603184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5040093 RU2022294C1 (en) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2022294C1 (en) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2105319C1 (en) * | 1995-09-13 | 1998-02-20 | Юрий Леонидович Фатеев | Method of angular orientation of objects by signals of spacecraft of global navigation satellite systems |
| RU2122217C1 (en) * | 1997-05-15 | 1998-11-20 | Красноярский государственный технический университет | Method of angular orientation of objects by radio navigation signals of spacecraft |
| RU2141118C1 (en) * | 1998-02-12 | 1999-11-10 | Научно-исследовательский институт радиотехники Красноярского государственного технического университета | Method of angular orientation of objects in space |
| RU2152048C1 (en) * | 1998-07-28 | 2000-06-27 | Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева | Method for detection of position coordinates, velocity vector constituents, distance and trajectory measurements by at mobile object using navigation signals from spaceships of satellite navigation systems |
| RU2152625C1 (en) * | 1998-05-18 | 2000-07-10 | Научно-производственное объединение прикладной механики | Method determining orientation of objects in space, range to them and bearing, position coordinates and components of velocity vector by navigation radio signals of spacecraft of space radio navigation systems |
| RU2157547C1 (en) * | 1999-09-24 | 2000-10-10 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Method resolving ambiguity of phase measurements |
| RU2215299C2 (en) * | 2001-05-25 | 2003-10-27 | Красноярский государственный технический университет | Method of angular orientation of object by signals of navigation space vehicles |
| RU2241239C2 (en) * | 1996-09-30 | 2004-11-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Method for determining position by means of one satellite on low earth orbit |
| RU2248004C2 (en) * | 2003-04-30 | 2005-03-10 | Тульский государственный университет (ТулГУ) | Method of determining angular orientation of object |
| RU2364884C2 (en) * | 2006-12-11 | 2009-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for determination of angular orientation of object |
| RU2371733C1 (en) * | 2008-07-07 | 2009-10-27 | Министерство обороны Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного | Method for detection of angular orientation in aircrafts |
| RU2422844C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования тульский государственный университет (ГОУ ВПО ТулГУ) | Method of defining angular orientation of object |
-
1992
- 1992-04-27 RU SU5040093 patent/RU2022294C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Applications of Navstar GPS fo presion attitude determination. Roht. Ben. D., Singh Ram-Nandan P. "Proc 4th Int. Geod Sattel. Position., Austin, Tex., 28 Apr-28, May, 1986, Vol2" S.I., S.A., 1345-1359. * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2105319C1 (en) * | 1995-09-13 | 1998-02-20 | Юрий Леонидович Фатеев | Method of angular orientation of objects by signals of spacecraft of global navigation satellite systems |
| RU2241239C2 (en) * | 1996-09-30 | 2004-11-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Method for determining position by means of one satellite on low earth orbit |
| RU2122217C1 (en) * | 1997-05-15 | 1998-11-20 | Красноярский государственный технический университет | Method of angular orientation of objects by radio navigation signals of spacecraft |
| RU2141118C1 (en) * | 1998-02-12 | 1999-11-10 | Научно-исследовательский институт радиотехники Красноярского государственного технического университета | Method of angular orientation of objects in space |
| RU2152625C1 (en) * | 1998-05-18 | 2000-07-10 | Научно-производственное объединение прикладной механики | Method determining orientation of objects in space, range to them and bearing, position coordinates and components of velocity vector by navigation radio signals of spacecraft of space radio navigation systems |
| RU2152048C1 (en) * | 1998-07-28 | 2000-06-27 | Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнева | Method for detection of position coordinates, velocity vector constituents, distance and trajectory measurements by at mobile object using navigation signals from spaceships of satellite navigation systems |
| RU2157547C1 (en) * | 1999-09-24 | 2000-10-10 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Method resolving ambiguity of phase measurements |
| RU2215299C2 (en) * | 2001-05-25 | 2003-10-27 | Красноярский государственный технический университет | Method of angular orientation of object by signals of navigation space vehicles |
| RU2248004C2 (en) * | 2003-04-30 | 2005-03-10 | Тульский государственный университет (ТулГУ) | Method of determining angular orientation of object |
| RU2364884C2 (en) * | 2006-12-11 | 2009-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for determination of angular orientation of object |
| RU2371733C1 (en) * | 2008-07-07 | 2009-10-27 | Министерство обороны Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного | Method for detection of angular orientation in aircrafts |
| RU2422844C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования тульский государственный университет (ГОУ ВПО ТулГУ) | Method of defining angular orientation of object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7466264B2 (en) | System and method for providing assistance data within a location network | |
| US5359332A (en) | Determination of phase ambiguities in satellite ranges | |
| US8711037B2 (en) | Precision geolocation of moving or fixed transmitters using multiple observers | |
| ES2429434T3 (en) | Method and device for chronological synchronization of a location network | |
| JP2701025B2 (en) | Passive distance measuring method and device | |
| RU2022294C1 (en) | Method of determination of relative bearing and coordinates of position of objects by radio navigation signals of spacecraft | |
| RU2115137C1 (en) | Range-finding method of location and components of vector of velocity of objects by radio signals of spacecraft of satellite radio navigation systems | |
| RU2152625C1 (en) | Method determining orientation of objects in space, range to them and bearing, position coordinates and components of velocity vector by navigation radio signals of spacecraft of space radio navigation systems | |
| RU2152048C1 (en) | Method for detection of position coordinates, velocity vector constituents, distance and trajectory measurements by at mobile object using navigation signals from spaceships of satellite navigation systems | |
| CN106970406A (en) | Airborne dual-antenna direction-finding method and device | |
| US20080204315A1 (en) | System and Method For Monitoring and Surveying Movements of the Terrain, Large Infrastructures and Civil Building Works In General, Based Upon the Signals Transmitted by the Gps Navigation Satellite System | |
| RU98114364A (en) | METHOD FOR DETERMINING LOCATION COORDINATES, COMPOSITING VECTORS OF SPEED, RANGE AND TRACKING MEASUREMENTS BY NAVIGATING OBJECT BY NAVIGATION RADIO SIGNALS OF SPACE SPIRITS | |
| RU98109415A (en) | METHOD FOR DETERMINING THE ORIENTATION OF OBJECTS IN SPACE, RANGE, DIRECTOR, LOCATION COORDINATES AND COMPONENTS OF VELOCITY VECTOR BY NAVIGATION RADIO SIGNALS OF SPACE VEHICLES | |
| Liu et al. | Correction of fractional cycle bias of pseudolite system for user integer ambiguity resolution | |
| Emel’yantsev et al. | Improving the accuracy of GPS compass for small-sized objects | |
| RU2286584C2 (en) | Method for independent instantaneous determination by users of co-ordinates of location, velocity vector components, angular orientation in space and phase of carrier phase of radio signals of ground radio beacons retransmitted by satellites | |
| RU2110077C1 (en) | Method determining course angle and coordinates of locations of objects by radio signals of spacecraft of satellite radio navigation systems | |
| Young et al. | Decimeter GPS positioning for surface element of sea floor geodesy system | |
| JPS63171377A (en) | GPS positioning method | |
| RU2210788C2 (en) | Method determining position coordinates, components of velocity vector of phase centers of satellite sources of navigation signals and of phase centers of antennas of navigation equipment of users of satellite radio navigation systems | |
| RU2551448C1 (en) | Pulsed-phase radar altimeter system | |
| RU2784481C1 (en) | Method for autonomous measurement of gravitational field parameters on board a spacecraft | |
| Stone et al. | Carrier phase integer ambiguity resolution using dual frequency pseudolites | |
| RU2109315C1 (en) | Method of quick synchronization of time and frequency standards positioned on moving objects | |
| JPH0466316B2 (en) |