20.3. МЕТОДЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ

Основы дифференциальной методики в СРНС. Дифференциальными методами НВО можно назвать методы определения координат, составляющих скорости и времени потребителя (его вектора состояния ВС) по результатам приема и обработки сигналов ССРНС в двух разнесенных точках ее рабочей зоны. Одна из этих точек — место расположения АП, координаты

которой уточняются, вторая — место расположения аппаратуры приема и обработки сигналов, обеспечивающей формирование КИ для уточнения координат потребителя. Вторая точка эталонируется в результате ее привязки на местности с геодезической точностью и размещения там наиболее точной АП. Совокупность средств, размещенных в эталонируемой точке, образует ККС.

Дифференциальный метод используется для уменьшения погрешности определения координат потребителя по сравнению с погрешностями, имеющими место при стандартом методе НВО, путем исключения сильнокоррелированной их части. Считается, что сильнокоррелированные в двух точках рабочей зоны погрешности обусловлены проявлением эфемеридных погрешностей НИСЗ, уходом его ШВ и влиянием распространения сигналов в ионосфере и тропосфере. Поскольку на эталонированной ККС путем сопоставления ее координат, определенных по сигналам ССРНС, с априорным их значением можно выявить систематическую погрешность, то такую же систематическую погрешность можно приписать и координатам, определенным потребителем. Если потребителю сообщить с ККС значение соответствующей поправки, он сможет скорректировать результаты своего навигационного определения. Для передачи КИ используется тот или иной канал связи.

Очевидно, что эффект от применения ДМ будет зависеть от того, насколько одинаковыми окажутся погрешности на ККС и в точке нахождения потребителя в те моменты, когда на его борту производятся спутниковые навигационные определения, т. е. от степени пространственной и временной корреляции погрешностей. При сильной корреляции систематическая часть погрешности будет исключаться практически полностью, при слабой выявится остаточная погрешность.

Было предложено и проанализировано много различных вариантов ДМ, различающихся по ряду призьяков, основными из которых являются: характер корректируемой в АП информации; способ передачи КИ с ККС потребителю.

По характеру корректируемой в АП информации можно различать ДМ с коррекцией определяемого ВС (в частности, координат потребителя и его скорости) и с коррекцией навигационного параметра, измеряемого в АП (псевдодальность, псевдоскорость).

По способам передачи КИ образуются варианты, зависящие от выбора канала связи.

Рассмотрим основные варианты ДМ.

Метод коррекции координат. Данный метод предполагает, что корректируются координаты потребителя, определенные им по сигналам НИСЗ, при стандартном режиме использования ССРНС. Корректирующая информация формируется на ККС (координаты

Рис. 20.2. Структурная схема, поясняющая метод коррекции координат

фазового центра антенны которой заранее известны с высокой точностью) путем сопоставления эталонных координат с координатами, вычисленными в результате стандартного навигационного сеанса, проводимого на ККС с помощью АП наивысшего класса точности. Полученные дифференциальные поправки (как разности истинных и измеренных координат ККС) передаются в составе КИ потребителю, который и уточняет по ним свои координаты.

Алгоритм этого метода (рис. 20.2) может быть записан в виде:

где векторы оценок координат ККС и потребителя по сигналам ССРНС; — вектор эталонных координат ККС; АХ - вектор поправок; вектор уточненных координат потребителя.

Метод ввода поправок в координаты сравнительно прост, так как не меняет основного алгоритма навигационных определений потребителя, но ему свойствен существенный недостаток — ограничение дальности действия. Дело в том, что потребитель использует обычно НИСЗ, образующие наивыгоднейшее по геометрии созвездие (так называемое оптимальное созвездие), вследствие чего и ККС должна использовать такое же созвездие. Поправки, вычисляемые на ККС, относятся к ее оптимальному созвездию, но тогда и все потребители в зоне могут пользоваться этими поправками, если сами работали по тому же оптимальному созвездию. Это можно обеспечить при небольших расстояниях между ККС и потребителем. По мере удаления потребителя от ККС созвездие, оптимальное для нее, перестает быть таковым для потребителя, а на определенных расстояниях некоторые НИСЗ из него вообще не будут находиться в зоне радиовидимости потребителя. В то же время переносить поправки, найденные по одному созвездию, на результаты

определений, полученные по другому, явно недопустимо, так как это может даже ухудшить точность.

Преодолеть отмеченный недостаток можно, если не требовать, чтобы и ККС, и потребитель пользовались одним и тем же созвездием.

Метод коррекции навигационных параметров. Идея метода состоит в том, чтобы сообщить потребителям набор поправок к результатам измерений по всем НИСЗ, которые потенциально могут быть использованы потребителем, предоставив тем самым возможность каждому выбирать наивыгоднейшее для него созвездие.

На ККС вычисляются поправки к йзмеряемым параметрам (например, к псевдодальности) по всем НИСЗ, находящимся над ее радиогоризонтом. Для этого на ККС измеряют псевдодальности до всех радиовидимых НИСЗ и одновременно по эталонным координатам станции находят их расчетные значения, которые принимают за истинные дальности. Разности расчетных и измеренных значений передаются в составе КИ всем потребителям. Каждый потребитель выбирает оптимальное для него созвездие и корректирует измеренные им псевдодальности с помощью поправок, относящихся к используемым им НИСЗ. По скорректированным результатам измерений в АП решается навигационная задача.

Алгоритм данного метода (рис. 20.3) можно записать так:

где псевдодальности, измеренные на ККС и потребителем; эталонные псевдодальности для ККС; - поправки к псевдодальностям; уточненные псевдодальности для потребителя.

Рис. 20.3. Структурная схема, поясняющая метод коррекции навигационного параметра

Вариантом данного метода является вычисление поправки к измеряемому параметру самим потребителем, использующим для этого передаваемые с ККС ее эталонные координаты и набор измеренных псевдодальностей, а также извлекающим данные об эфемеридах НИСЗ из их сообщений, которые декодируются в процессе проведения потребителем навигационного сеанса.

Возможен и такой вариант метода, когда ради уменьшения объема КИ с ККС передаются поправки не к дальномерному параметру, а к разностно-дальномерному, что обязывает потребителя также проводить разностно-дальномерные измерения.

Метод разностной коррекции навигационного параметра. При использовании рассмотренных методов предполагалось, что потребителем навигационная задача решается полностью: либо до использования КИ (метод коррекции координат), либо после внесения поправок (метод коррекции навигационного параметра). При этом обязательно ведется точный расчет координат НИСЗ, для чего из служебного сообщения, содержащегося в кадре сигнала, извлекается эфемеридно-временная информация. Необходимые для этого вычислительные затраты усложняют матобеспечение АП по сравнению с матобеспечением стандартного режима его использования, что удорожает АП.

Для гражданских потребителей первостепенное значение имеет удешевление АП, поэтому понятно стремление упростить решения навигационной задачи на борту потребителя, например, отказавшись от расчета координат НИСЗ и применив простые линейные преобразования. Такая возможность появляется, если с ККС сообщать потребителю направляющие косинусы радиолинии НИСЗ-ККС, а также измеренные псевдодальности и при необходимости — пространственные координаты и поправку к ШВ ККС.

Данный метод применим в малой зоне вблизи ККС. При близком расположении станции и потребителя достигающий их фронт волны от НИСЗ можно считать плоским, и тогда радиолинии НИСЗ-ККС и НИСЗ - потребитель будут задаваться одинаковыми направляющими косинусами. Известно, что в этом случае (рис. 20.4) разность дальностей от одного и того же НИСЗ до ККС и потребителя может быть связана с разностью координат ККС и потребителя через соответствующие направляющие косинусы. При определении четырехмерного по можно связать -мерный вектор приращений псевдодальностей с четырехмерным вектором приращений координат матрицей размерности содержащей направляющие косинусы (от угла места и азимута А):

в виде

В геометрической матрице (20.3) столбцы задают коэффициенты по широте, долготе, высоте и времени.

Рис. 20.4. Диаграмма, иллюстрирующая принцип разностной коррекции навигационного параметра

Зиая и измерив можио с помощью простых преобразований (20.4) найти а стало быть, и местоположение потребителя относительно ККС, а также расхождение их ШВ.

Важно обратить внимание на то, что при формировании разностей псевдодальностей все сильиокоррелированиые погрешности измерений будут исключаться, в чем и проявится дифференциальный эффект.

При реализации этого метода на ККС в какие-то моменты измеряют псевдодальиости для всех НИСЗ и вычисляют их направляющие косинусы. Эта информация передается потребителю, который также проводит измерения по НИСЗ, образующим оптимальное созвездие. Образуя относящиеся к данным НИСЗ разности потребитель вычисляет приращения своих координат относительно координат ККС, т. е. находит свое относительное местоположение. Если потребитель получает от ККС и ее координаты, он может непосредственно найти свои координаты в используемой системе отсчета.

Отметим, что вместо псевдодальиостей можно оперировать временами прихода сигналов НИСЗ соответственно к ККС и к потребителю, тогда разность времен прихода выступит в качестве измеряемого (разностного) параметра.

Модификация основных методов. Варьируя состав передаваемой с ККС информации, содержание решаемых потребителем задач, способы формирования и передачи КИ, можно получить ряд модификаций основных ДМ.

Прежде всего укажем на ДМ с использованием псевдоспутников. В этом варианте на ККС применяется передатчик, подобный передатчику НИСЗ, который излучает стандартный навигационный сигнал. В кадр сигнала дополнительно заложена КИ. Достоинством такого ДМ является то, что для передачи потребителю КИ нет необходимости в дополнительной связной аппаратуре. Кроме того, псевдоспутник выступает как дополнительная наземная навигационная точка, относительно которой потребитель может выполнять измерения. Такой «заземленный» НИСЗ находится постоянно в распоряжении потребителя, пребывающего в рабочей зоне ККС, а измерения по нему могут улучшить геометрию нааигациоииого сеанса. Несмотря на недостатки, обусловленные возможностью приема сигналов псевдоспутиика только в пределах зоны прямой видимости, данный метод привлекает к себе внимание.

Интерес, проявляемый к разработке псевдоспутников для включения их в ДПС, связан с возможностями псевдоспутииков:

улучшать геометрию навигационного сеанса;

повышать надежность навигационных определений путем замены вышедшего из строя НИСЗ;

передавать КИ без привлечения дополнительной связной аппаратуры на борту потребителя;

обеспечивать гарантированную точность навигационных определений при недостаточной развернутой орбитальной группировке НИСЗ путем установки псевдоспутииков в нужных районах;

предоставлять потребителю региональное средство контроля для оценки работоспособности АП.

Объем передаваемой с ККС информации может изменяться в зависимости от типа потребителя, что будет далее показано при рассмотрении содержания КИ.

Объем вычислений в АП может уменьшаться, если будет увеличен объем КИ, передаваемой с ККС. Так, метод с разностной коррекцией навигационных параметров, при котором ККС передает направляющие косинусы НИСЗ, можно реализовывать

так, что с ККС будут передаваться и значения доплеровских сдвигов частот (в виде определенных коэффициентов), что упростит решение задачи захвата сигнала НИСЗ, а также позволит сократить объем данных, извлекаемых из кадра сигнала.