Способ (варианты) и система для определения положения объекта

Способ (варианты) и система для определения положения объекта

Реферат

 

Способ и система определения положения объекта с использованием фиксированной станции и множества спутников Земли чье положение известно. Отдельные периодические сигналы передаются со станции через первый и второй спутники к объекту, позицию которого надо определить. Фазовый сдвиг в периодических характеристиках периодических сигналов, полученных от первого и второго спутников, измеряется на объекте. Фазовый сдвиг характеризует относительную разницу во времени прохождения сигналов, идущих двумя разными путями к объекту. Объект посылает через первый спутник обратный сигнал, указывающий на измеренную относительную временную разницу. Этот обратный сигнал используется в дальнейшем в соответствии с местным временем объекта, которое корректируется по приему периодического сигнала, посылаемого через первый спутник. Это время в дальнейшем является началом особого временного периода, определяемого режимом работы станции. На станции используют задержку прохождения сигнала, определяемую разницей между тактовым импульсом текущей передачи и таковым импульсом приема обратного сигнала, а также измененную временную разницу, посылаемую с обратным сигналом для вычисления расстояний между первым и вторым спутниками до объекта, из которых определяется положение объекта. 24 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к определению местоположения объекта с использованием спутников Земли, в частности к способу и системе определения положения движущихся транспортных средств с использованием времени задержки прохождения сигнала различными каналами связи.

В настоящее время существует потребность в получении информации о месторасположении транспортного средства в особенности при коммерческих транспортных перевозках. Имея доступ к информации о положении транспортного средства база компании транспортных перевозок получает особые преимущества. Она может сообщать покупателю о местоположении, маршруте и времени прибытия грузов. Эта информация может также использоваться в сочетании с эмпирическими данными для определения наиболее экономически эффективных маршрутов следования.

До настоящего времени информация о положении транспортных средств передавалась на базу грузовой компании водителями грузовиков по телефону. Эта информация носила отрывочный характер, поскольку передавалась во время остановок и ее передача соответственно приводила к задержке в доставке груза. В настоящее время индустрия грузовых перевозок использует на транспортных средствах универсальные системы связи, которые обеспечивают двустороннюю связь между базой компании и транспортным средством через спутник.

Использование возможностей радиосвязи с каждым мобильным терминалом для определения положения транспортного средства дает большие преимущества. Отчеты о местоположении транспортного средства в этом случае могут быть получены транспортной компанией по ее запросу, отсутствуют задержки в перевозке грузов, поскольку определение местоположения транспортного средства может происходить во время его движения, неточности в отчетах практически исключены, поскольку база имеет возможность мгновенно устанавливать местоположение транспортного средства.

До настоящего времени способы определения местоположения были относительно не точны или требовали дорогостоящего специального оборудования. Один из таких способов описан в патенте США N4161730 и предусматривает оценку положения с периодическими корректировками. Точность оценки местоположения зависит от точности тактового генератора, установленного на объекте, положение которого необходимо определить. Он также предполагает использование точных космических атомных часовых стандартов на борту спутников (типа GOES).

Другой хорошо известный способ определения позиции основан на использовании серийной системы LORAN-C (радионавигационная система дальнего действия). В ней каждый подвижной объект включает блок LORAN-C, состоящий из антенны и измерительного преобразователя/процессора. Сигналы этой системы принимаются подвижным объектом, где они обрабатываются, а информация о местоположении может быть передана на станцию.

В основу изобретения положена задача создать способ и систему определения местоположения объекта с использованием по меньшей мере двух спутников, обеспечивающих точное определение положения объекта без использования независимого и высокостабильного оборудования, устанавливаемого на спутнике или объекте, положение которого определяется, а также без использования на объекте абсолютного базового времени.

Кроме того, изобретение призвано решить задачу точного определения местоположения объекта с помощью стандартного спутникового приемопередатчика (ретранслятора), а также обеспечить определение положения автомобиля без его задержки и представить базе грузовой компании возможность определять положение автомобиля по своему желанию, не полагаясь на информацию водителей. Задача решается за счет применения метода трилатерации, предусматривающего, что, если положение трех объектов известно по отношению друг к другу и расстояние от каждого из них до четвертого известно, то три измерения позиции четвертого объекта можно определить в рамках координат, описывающих положение первых трех объектов.

Изобретение использует трилатерацию, во первых, привязывая один из трех фиксированных объектов к центру Земли. Поскольку объект, положение которого определяется, обычно автомобиль, движется по поверхности Земли, стандартные геодезические модели применимы для определения расстояния от центра Земли до точки с любой широтой и долготой на ее поверхности. Положения второго и третьего объектов задаются двумя спутниками, положение которых в земных координатах, если не известно, то устанавливается. Расстояние от каждого из спутников до объекта также устанавливается. Когда расстояние от каждого спутника до объекта известно и известно расстояние от объекта до центра Земли, т.е. радиус Земли, три пространственные характеристики объекта определяются и переводятся в широту и долготу.

Способ согласно изобретению может использоваться для начального определения положений двух спутников в земных координатах. Они могут быть переведены в земные координаты, если известно расстояние от спутников до трех фиксированных точек, являющихся наблюдательными пунктами, расположенными на поверхности Земли, положение которых в земных координатах точно известно и которые так же, как и автомобили имеют средства связи. Расстояние от спутников до этих наблюдательных пунктов определяется путем установления времени прохождения радиосигналов, передаваемых к этим пунктам и от них через спутники. Зная время прохождения, можно вычислить расстояние, пройденное сигналом. Когда эти расстояния определены, можно определить положение спутников в земных координатах. Способ согласно изобретению, в первую очередь, может быть использован для определения положения объекта на поверхности Земли. Может быть определено и расстояние от каждого из двух спутников до объекта также на основании информации о времени прохождения радиосигнала.

Более детально сущность изобретения состоит в следующем. Наземная станция постоянно посылает два радиосигнала с идентичной периодической модуляцией несущий через каждый спутник к объекту, положение которого определяется. В качестве объекта может быть подвижный объект или автомобиль, имеющий станцию связи. Сигналы наземной станции, передаваемые объекту, направляются к нему как прямые сигналы (далее по тексту сигнал, следующий от фиксированной наземной станции к объекту, положение которого определяется, обозначается как "прямой", а сигнал, следующий в обратном направлении "обратный)". Объект постоянно принимает эти периодические прямые сигналы и измеряет процент периодического фазового сдвига между двумя сигналами. Разность фаз образуется за счет того, что один сигнал проходит больший путь до спутника, чем другой. Объект передает обратный сигнал, содержащий информацию о процентном сдвиге, после произвольной задержки, значение которой не существенно и не требуется знать. Обратный сигнал передается по тому же пути, что и прямой с первого спутника на наземную станцию.

Принимая сигнал через первый спутник, объект осуществляет корректировку стандарта тактового импульса по приему периодического сигнала. Таким образом, тактовый импульс объекта сдвинут по времени от передаваемого наземной станцией сигнала из-за задержки его распространения и с определенного момента объект может передать наблюдаемый фазовый сдвиг между двумя сигналами. Наземная станция получает обратный сигнал через первый спутник и располагает информацией о том, что начавшееся в определенном цикле сообщение прибыло позже, чем этот цикл прошел с прямым сигналом. Значение этой задержки интерпретируется как задержка двойного прохождения сигнала от станции до объекта и обратно через первый спутник.

Задержка прохождения сигнала изменяется, когда объект меняет положение. Тем не менее, поскольку стандарт тактового импульса объекта корректируется по полученному прямому сигналу, стандарт изменяется с изменением задержки прохождения. Поскольку функция определения положения осуществляется объектом в произвольный момент, она не затруднена даже, если объект двигался с момента посылки ему запроса. Объекту в этом случае необходимо производить измерение сдвига двух периодических сигналов непосредственно перед передачей на наземную станцию соответствующих данных.

Необходимо отметить, что в этом случае нет необходимости в отметке прошедшего времени с помощью временных меток, как это предусматривалось в других изобретениях. Прямой сигнал никак не помечается на наземной станции до передачи ни в момент поступления на объект, ни перед передачей обратного сигнала с объекта. Фазовый сдвиг между двумя сигналами, поступившими на объект, также не помечается по отношению к абсолютному эталону времени или времени, поскольку он определяется только по местному объектному тактовому импульсу, который постоянно корректируется при движении автомобиля и спутника. На станции только сравнивается меняющееся время приема импульса с текущим временем передачи для получения задержки двойного прохождения.

Когда получена эта задержка, известна скорость радиосигнала и расстояние от станции до первого спутника, можно вычислить расстояние от первого спутника до объекта. Расстояние от объекта до второго спутника вычисляется по процентному фазовому сдвигу на объекте, задержке прохождения сигнала через первый спутник, известной скорости радиосигнала и расстоянию от второго спутника до станции. Таким образом, способ позволяет определить расстояние от каждого из спутников до объекта, положение которого определяется. Зная положение спутников по отношению к центру Земли и расстояния от этих спутников до объекта, можно применить трилатерацию для определения объекта по отношению к центру Земли и спутникам.

В изобретении передвижной терминал связи служит в качестве приемника и передатчика объекта, положение которого определяется. Наземная станция связывается с терминалом через основной спутник. Следящая база транспортной компании способна связываться с наземной станцией для осуществления связи с передвижным терминалом.

Обычно определение положения автомобиля инициирует база транспортной компании. Тем не менее, передвижной терминал сам может начать определение положения, например, когда трейлер отделяется от тягача. Информация о месте определения трейлера может быть передана на базу.

Изобретение обеспечивает определение положения автомобиля по величинам, связанным с временем прохождения сигнала. Величины, соответствующие задержке двойного прохождения сигнала, переданного через приемопередатчик первого спутника, и разнице в одностороннем прохождении сигналов, переданных через приемопередатчики первого и второго спутников, формируются и используются для вычисления положения автомобиля.

Задержка двойного прохождения вычисляется путем сравнения текущего времени тактового импульса передачи станции с временем тактового импульса приемника станции в момент получения обратной передачи от автомобиля. Местный сигнал времени объекта (автомобиля) корректируется после получения прямой передачи со станции и таким образом включает в себя задержку распространения по отношению к тактовому сигналу передачи станции. Обратная передача с автомобиля осуществляется с использованием известных систем связи коллективного доступа с временным разделением каналов.

Обратный тактовый сигнал может динамически регулироваться на станции в реальном времени для обеспечения высокой точности демодуляции из множества сигналов, передаваемых автомобилем.

Учитывая разницу в прохождении сигнала в одном направлении, нет необходимости в отметка абсолютного времени для определения временной разницы между проходящими сигналами. Временная разница вычисляется как функция фазового сдвига в периодической модуляции принимаемых сигналов.

С помощью изобретения можно определить положение различных автомобилей в различных группах. Различные сочетания приемопередатчиков основного и вспомогательного спутников могут использоваться для облегчения связи и определения места автомобилей в различных группах. В любых применениях использование двух спутников облегчает формирование величины двойного прохождения сигнала и временной разницы прохождения.

На фиг. 1 показан пример использования трилатерации в изобретении; на фиг. 2 пример для определения расстояний между спутниками и объектом, положение которого определяется; на фиг. 3 пример для определения положения спутника; на фиг. 4 пример для определения расстояния между наземной станцией и спутниками и между другими наблюдательными пунктами и спутниками; на фиг. 5 форму прямых первого и второго несущих сигналов, принимаемых объектом, положение которого определяется, или другим терминалом связи, используемым для определения положения спутников; на фиг. 6 график, иллюстрирующий отсчет времени на наземной станции и на объекте; на фиг. 7 пример системы определения положения с двумя спутниками и четырьмя приемопередатчиками; на фиг. 8 пример системы определения положения с двумя спутниками и тремя приемопередатчиками.

Способ определения положения объекта наилучшим образом иллюстрируется применительно к наземному подвижному объекту автомобилю, в области коммерческих грузовых перевозок.

Элементы, необходимые для определения местонахождения объекта, изображены на фиг. 1. Центр или неподвижная наземная станция (далее станция) 10, изображенная на фиг. 1, снабжена терминалом связи 10а, способным связываться со спутниками и содержащим передатчик, интерфейс с базой заказчика и процессор.

Станция 10 также включает антенны основную 10в и вспомогательную 10с. Основная антенна 10в находится в зоне прямой видимости с основным спутником S1 и может следить за ним. Сообщения с основной антенны 10b обычно представляют собой цифровую информацию, модулируемую несущим сигналом. Несущий сигнал это радиосигнал с пилообразной периодической частотной модуляцией. Вспомогательная антенна 10c находится в зоне прямой видимости с вспомогательным спутником S1 и может следить за ним. Сообщения с вспомогательной антенны 10c обычно представляют собой несущую без модуляции цифровой информацией, хотя периодическая пилообразная модуляция остается.

Основной и вспомогательный спутник S1 и S2 являются спутниками Земли, снабжены стандартными ретрансляторами и размещены на геосинхронной орбите на линии прямой видимости со станцией 10 и объектом 12. Желательно, чтобы они имели угловое удаление в пределах 8-24 градусов, хотя возможны и углы в пределах 3-70 градусов.

В данном случае движущимся объектом является обычный грузовик, имеющий терминал связи 14 с антенной 16, смонтированной в прицепе или кабине, следящий за спутниками S1 S2. Он способен принимать и передавать от спутника и к спутнику S1 и обычно только принимать сигналы от спутника S2.

Способ определения положения автомобиля согласно настоящему изобретению реализуется решением ряда нелинейных уравнений. Эти уравнения содержат компоненты неизвестного положения автомобиля в декартовых координатах x-y-z с одной стороны и наблюдаемые ( или измеренные ) расстояния с другой стороны. Каждая из величин L1, L2, и L3 определяется через функцию расстояния. Следовательно, каждая величина сумма квадратов разницы трех декартовых компонентов, где L1 [(xS1 xV)² + (yS1 yV)² + (zS1 zV)2]^1/2 (1) L2 [(xS2 xV)² + (yS2 yV)² +(zS2 zV)2]^1/2 (2) L3 [(xV)² + (yV)² +(zV)2]^1/2 (3) Способ предусматривает измерение декартовых координат объекта xV xV - zV. Следовательно, три неизвестные величины с правой стороны уравнения выражаются уникально тремя выражениями. С левой стороны три величины определяются этими выражениями. Величины расстояния слева (кроме L3) получаются через измерения, являющиеся частью настоящего способа. Расстояние L3 является радиусом Земли, т.е. расстоянием от центра Земли до автомобиля, которое составляет 6378137 м. Может быть применен более сложный метод, определяющий L3 в соответствии с моделью эллипса, который использует экваториальный радиус 6378137 м и полярный радиус 6356752 м Соответственно уравнения (1-3) выполняются через процесс итерации, который приближается к точным координатам автомобиля.

Хотя основная цель изобретения определение положения автомобиля, необходимы средства для определения текущей позиции спутника, информация о положении которого может быть получена с его контроллеров.

Текущая информация о положении спутника может быть также получена через обратный процесс трилатерации с использованием ряда фиксированных наблюдательных пунктов с известными декартовыми координатами. Процесс определения положения спутника описан ниже со ссылками на фиг. 3 и 4.

Определение расстояния между спутником и автомобилем осуществляется путем преобразования времени прохождения радиосигнала в расстояние, которое этот сигнал прошел. Как показано на фиг. 2, прямой сигнал передается со станции 10, с антенн 10b и 10c, через спутники S1 и S2 соответственно к объекту 12. Сигнал, передаваемый с антенны 10b через спутник S1, идентифицируется как прямой сигнал связи 20 с направлениями связи Земля спутник и спутник - Земля, обозначенными соответственно 20a и 20b. Сигнал, передаваемый с антенны 10c через спутник S2 прямой сигнал связи 22 с направлениями связи Земля - спутник и спутник Земля, обозначенными 22a и 22b соответственно. Несущие прямых сигналов 20 и 22 идентичны и синхронизированы, когда генерируются для передачи. Прямой тактовый импульс используется для генерации периодически пилообразно-частотно-модулированной (ЧМ) прямых сигналов связи. Когда прямой сигнал связи 22 используется только для целей определения расстояний, ретранслятор спутника может работать со значительно меньшей мощностью. Например, уровень мощности передатчика может быть только 10% от 10 Квт для поддержания немодулируемой несущей и все же обеспечивает адекватный сигнал измерения дальности.

На объекте 12 терминал 14 принимает через антенну 16 прямые сигналы 20 и 22, показанные на фиг.5. Терминал 14 измеряет процентный фазовый сдвиг между этими ЧМ пилообразными периодическими сигналами или путем независимой согласованной фильтрации обоих сигналов и сравнения временной разницы между ними, или путем их смешивания и выделения временной разницы по фазе результирующего сигнала.

Измеряемый процентный фазовый сдвиг интерпретируется как временная разница DT между абсолютным временем T1 и T2, которые недоступны на объекте 12, так как базовое время на нем корректируется после получения периодической модуляции через спутник S1 и подчинено положению автомобиля и и/или движению спутника около его номинального положения в пространстве. Тем не менее процентный фазовый сдвиг соотносится с реальной временной разницей DT и определяется для математических целей как разница в абсолютном времени, хотя T1 и T2 неизвестны.

DT T2 T1 (4) Терминал 14 может передавать обратный сигнал связи 24 через основной спутник S1 на станцию 10 по линии связи Земля спутник и спутник Земля, обозначено 24a и 24b.

На объекте 12 терминал использует специальные алгоритмы приема и слежения за посылаемыми спутником сигналами. Эти алгоритмы используются для последовательного приема и слежения за периодической модуляцией спутниковых прямых сигналов, чтобы осуществить измерение фазового сдвига. Обычно направленная антенна автомобиля следит за сигналом основного спутника, но для того, чтобы измерить фазовый сдвиг, антенна поворачивается по азимуту для принятия сигнала второго спутника. Терминал 14 имеет фильтр согласования, настроенный на прием прямого сигнала, передаваемого через второй спутник. После принятия вспомогательным спутником сигнала антенна меняет азимут для приема и слежения за сигналом основного спутника и в это время объект измеряет фазовый сдвиг.

0братный сигнал 24 несет информацию, указывающую на разность во времени между прямыми сигналами 20 и 22 на объекте 12, т.е. DT. Временная разница DT отмечается на объекте 12 немедленно, раньше, чем передача обратного сигнала 24.

После получения обратного сигнала 24 на станции 10 терминал 10a измеряет требуемый временной сдвиг в обратном сигнале для извлечения информации. Этот сдвиг обратных сигналов относительно прямых сигналов, используемых при формировании периодической пилообразной модуляции, изображенный на фиг.5, обозначается как мгновенная RTD (задержка двойного прохождения сигнала).

Эта RTD соотносится с мгновенным временем двойного прохождения сигнала (или расстоянием), передаваемого со станции 10 через спутник S1 к объекту 12 и возвращаемого от объекта 12 через спутник S1 на станцию 10 где RTD время передачи время приема (5) Тактовый импульс объекта 12 синхронизируется сигналом несущей принятого прямого сигнала. Так как прямой сигнал задерживается в пути, тактовый импульс объекта 12 задерживается по отношению к несущей этого сигнала на время его распространения. Синхронизация по полученному сигналу осуществляется таким образом, чтобы извлечь информацию, содержащуюся в несущей сигнала в пределах между станцией 10 и объектом 12. Передача информации между станцией 10 и объектом 12 осуществляется в формате TDMA (коллективного оступа с временным разделением каналов). Такая система связи раскрыта в патенте США N 4979170. Таким образом, станция 10 может дать команду объекту 12 немедленно или в заданное время начать определение позиции. Каждый раз, когда тактовый импульс объекта 12 синхронизируется с несущей полученного прямого сигнала, могут быть предприняты шаги по определению положения.

Фиг. 6 иллюстрирует относительные сдвиги в тактовых импульсах на станции 10 и объекте 12. Станция 10 передает данные циклами, показанными на верхней линии. Один или более циклов, например цикл 051, содержит посылаемую объекту команду начать передачу данных, относящихся к временной разнице DT, на станцию 10 в определенном цикле, например 103. Используя синхронизацию начала передачи, станция 10 будет ожидать получения данных в цикле 103.

Объект 12 получает команду в цикле 051 с задержкой во времени по отношению к началу передачи станцией на величину распространения прямого сигнала FLD. На объекте команда интерпретируется с временной разницей DT, определенной до передачи данных в цикле 103. С началом цикла 103 на объекте 12 данные передаются назад на станцию 10. Задержка в передаче по отношению к переданному тактовому импульсу равна FLD.

Обратный сигнал широкополосный модулированный сигнал с минимальной псевдослучайной модуляцией 1 МГц. Короткий период, псевдослучайность, максимальная длина кода, период 63, используются для быстрого обнаружения начала обратного сигнала. Остальная часть сообщения модулируется таким образом, что на каждый период длиной 63 модулируется дополнительная псевдослучайная последовательность с периодом 31. Комбинация последовательности длиной 63 и последовательности длиной 31 даст период длиной 1953 элементов сигнала. Такая дина в микросекундах позволяет демодулятору обратного сигнала свести коэффициент ошибок менее чем к 10% элемента широкополосного сигнала таким образом уточнить измерение задержки двойного прохождения сигнала до 0,1 мкс.

Сигнал, передаваемый от объекта 12 на станцию 10, также подвергается задержке прохождения RLD, RLD равно FLD с небольшими допусками, т.к. сигнал проходит один и тот же путь. Принимаемый станцией 10 тактовый импульс сдвинут в синхронизации по отношению к передаваемому тактовому импульсу за счет задержек прохождения. Этот сдвиг-RTD (задержка двойного прохождения) равен FLD+RLD. Принимаемый тактовый импульс сдвинут, чтобы правильно демодулировать данные цикла.

Станция 10 получает в цикле 103 в соответствии с началом отсчета передаваемую объектом 12 информацию о DT. Несколько бит информации накапливается, когда циклы демодулируются и отслеживаются оборудованием станции. В течение нескольких циклов от начала цикла 103 со времени начала приема станцией решается, что сопряжение установлено и определение RTD сделано и записано. В примере, изображенном на фиг. 6, сопряжение установлено в течении 105 цикла с начала приема тактового импульса. Определение задержки распространения происходит путем сравнения тактового импульса приема с текущим значением тактового импульса передачи. В этом приеме тактовый импульс передачи заканчивает 107 цикл и начинается 108, когда RTD интерпретируется по отношению к принимаемому импульсу, находящемуся с середине 105 цикла. Этот сдвиг в 2,5 цикла можно перевести в RTD, т.к. каждый цикл определенный отрезок времени. Разделив RTD пополам, получим величину FL1, которая связана со временем прохождения прямого сигнала 20, т.е.

FL1 RTD2 (6) Добавив величину DT, которая корреспондируется с разницей во времени между прямыми сигналами 20 и 22 на объекте 12 и величиной FL1, получим величину FL2, соответствующую времени распространения прямого сигнала 22, т.е.

FL2 FL1 + DT (7) Величины F1 и FL2 умножаются затем на скорость электромагнитного сигнала в открытом космосе. Это умножение дает путь, пройденный соответственно сигналами 20 и 22. Так FL1 и FL2 используются для определения расстояния между спутниками S1 и S2 по отношению к объекту 12.

Настоящее изобретение обеспечивает измерение расстояний между станцией 10 и спутниками или использует величины расстояний, полученные на спутнике. Расстояние от станции 10 до спутников S1 и S2 обозначаются величинами D1 и D2, а от объекта 12 до спутников S1 и S2 L1 и L2. Величины L1 и L2 вычисляются путем вычитания D1 и D2 из расстояния, пройденного сигналами 20 и 22 соответственно. Расстояние могут быть вычислены по следующим уравнениям: L1 (FL1) c D1 (RTD/2) c D1 (8) и L2 (FL2) c D2 ((RTD/2) + DT)) c D2 (9) где c-скорость света в открытом космосе.

Таким образом, расстояние от двух известных точек, т.е. спутников S1 и S2, до объекта может быть определено в соответствии с настоящим изобретением. С его помощью можно определить положение автомобиля с точностью до мили по сравнению с реальным, принимая во внимание поправки на измерение RTD и DT и на точность расстояния до земной поверхности L3.

Когда известны расстояния L1 и L2, известен радиус Земли и x-y-z координаты спутников S1 и S2, используется трилатерация для определения координат x-y-z объекта в декартовой системе координат с точкой отсчета в центре Земли. Решив уравнения 1-3, получим положение объекта.

Хотя основная задача настоящего изобретения определение положения движущегося объекта, необходимы надежные методы определения текущего положения спутника с точностью до 30 м. Например, через обратный процесс трилатерации при помощи нескольких наблюдательных пунктов, используя те же RTD И DT, описанные выше.

Для применения трилатерации в вышеописанных случаях декартова координатная система x-y-z привязывается к центру Земли. Позиции основного и вспомогательного спутников определяется так же, как положение подвижного объекта. По существу измеряются расстояния от этих спутников минимум до трех разных геометрических точек с известными координатами для определения положения спутника. В трех разных геометрических точках размещены терминалы связи, положение которых в земных координатах точно известно. Расстояние от каждой из этих точек до каждого из спутников измеряется с использованием значений RTD и DТ с дополнительным требованием один из терминалов располагался вместе со станцией 10, чтобы можно было вывести расстояние от станции до спутника из расстояния до каждого из наблюдательных пунктов.

Надо отметить, что скорость спутника также должна быть оценена, чтобы его положение можно было бы точно экстраполировать на любой момент времени. Без точной экстраполяции осуществление функции навигации объекта ухудшается. Лучший путь осуществлять экстраполяцию положения по информации, содержащейся в данных слежения это оценивать положение и скорость одновременно в последовательной фильтрующей схеме, такой как хорошо известный фильтр Калмана.

Использование фильтрации по Калману имеет преимущество, состоящее в том, что данные слежения необязательно получать одновременно, можно и последовательно. Когда полученны данные нового наблюдения, их можно перевести в новые состояния положения и скорости. Фильтр имеет минимум шесть состояний - три для позиции и три для скорости. Добавление трех состояний для ускорения значительно улучшает слежение за орбитальным движением. Фильтр отслеживает и неорбитальные движения, которые имеют место при работе двигателей маневрирования спутника.

Техника фильтрования Калмана может быть использована для перевода данных о RTD и DT фиксированных наблюдательных пунктов в положение спутника в реальном времени, применяя последовательные во времени отчеты с заранее определенными интервалами фиксированных наблюдательных пунктов. Например, отчитывается 1-й пункт, через минуту 2-й и т.д.

На фиг. 3 показаны компоненты для определения положения спутников S1 и S2 с тремя фиксированными наблюдательными пунктами фиксированную станцию 10 и фиксированные объекты 30,32 и 34, которые могут быть подвижными объектами с известным местоположением. Фиксированная станция 10 снабжена терминалом связи 10a, основной антенной 10b и вспомогательной 10c. Фиксированный подвижной объект 30 снабжен терминалом связи или приемопередатчиком 30a и антенной 30b. Аналогично фиксированные объекты 32 и 34 снабжены терминалами связи 32a и 34a и антеннами 32b и 34b. В примере на фиг. 3 спутник S1 первый спутник, положение которого определяется, находится на земной орбите и в момент определения положения расположен на линии прямой видимости с наблюдательными пунктами, т.е. станцией 10 и объектами 30,32 и 34.

На фиг. 4 показаны сигналы, используемые для измерения расстояния между станцией 10 и спутником S1. Предпочтительный вариант предусматривает расположение одного наблюдательного пункта объекта 30 вместе со станцией 10. Тогда расстояние между станцией 10 и спутником S1 такое же, как расстояние D1' между объектом 30 и спутником, т.е.

D1 D1' (10) Станция 10 передает с основной антенны 10b прямой сигнал 40, состоящий из части 40a, идущей до линии Земля-спутник, и частей 40b и 40c, идущих по линии спутник-Земля. Прямой сигнал 40 передается с антенны 10b (часть 40a) через спутник S1 на объект 30, расположенный вплотную к станции 10 (часть 40b). Прямой сигнал 40 также передается с антенны 10b через спутник S1 на объект 32 (части 40a и 40c).

После получения прямого сигнала 40 объект 30 передает обратный сигнал 42 по линии связи 42a и 42b через спутник S1 на станцию 10, где измеряется RTD по комбинациям путей сигнала 40 и 42. Величина RTD делится на 4, чтобы получить время распространения сигнала от станции 10 до спутника S1. Кроме того, RTD, деленная пополам, дает величину FLS1, определяющую время прохождения сигнала от станции 10 до объекта 30 через спутник S1. Умножив время прохождения сигнала на скорость радиосигнала в космосе (константа с) получим расстояние D1. Это расстояние между станцией 10 и спутником S1 может быть выражено следующим образом: D1 (RTD/4) c (FLS1/2) c (11) Фиг. 4 иллюстрирует сигналы, используемые для измерения расстояния между станцией 10 и вспомогательным спутником 2. Одновременно с сигналом 40, передаваемым антенной 10b, с антенны 10c передается сигнал 44 по линии связи 44a, а также линиям 44b и 44c. Прямой сигнал 44 передается с антенны 10c (44a) через спутник S2 на объект 30 (44b), находящийся вместе со станцией 10, и на отдаленный объект 32 (44c).

Объект 30 измеряет процентный сдвиг между ЧМ пилообразными сигналами 40 и 44. Затем он передает обратный сигнал 42 (части 42a и 42b) через спутник S1 на станцию 10, содержащий информацию о величине DT, соответствующей временной разнице между приемом прямых сигналов 40b и 44b. Величина FLS2, соответствующая времени задержки прямого сигнала при прохождении от станции 10 к объекту 30 через спутник S2, может быть вычислена следующим образом: FLS2 FLS1 + DT (12) Из уравнения 12 можно вычислить расстояние D2 между станцией 10 и спутником S2: D2 (FLS2/2) c (13) где c скорость распространения радиосигнала в космосе.

Фиг. 4 иллюстрирует также сигналы, используемые для определения расстояния от спутников S1 и S2 до другого фиксированного наблюдательного пункта. Этот процесс, описанный на примере определения расстояний от спутников S1 и S2 до объекта 32, применим для определения расстояний до любого другого объекта, такого, например, как объект 34 (фиг.3).

Станция 10 передает с антенн 10b, 10c одновременные синхронизированные прямые сигналы 40 и 44 объекту 30 соответственно через спутник S1 (линии связи 40a и 40c) и второй спутник S2 (линии связи 44a и 44c). Объект 32 измеряет процентный сдвиг между ЧМ пилообразными полученными сигналами 40 и 44. Затем объект 32 передает обратный сигнал 46 по линиям связи 46a и 46b через спутник S1 на станцию 10. Обратный сигнал 46 содержит информацию, указывающую на временную разницу DT, выведенную из процентного фазового сдвига.

Станция 10 измеряет задержку двойного прохождения сигнала RTD1A сигналов 40 и 46 путем сравнения обратного импульса с прямым. Если RTD1A измеряется, когда еще не вычислено D1, используется экстраполированное значение D1, получаемое отслеживанием степени его изменения в дополнение к измерениям его текущей величины. Разделив RTD1A пополам, получим время распространения радиосигнала FLS1A от станции 10 через спутник S1 до объекта 32, т.е.

FLS1A RTD1A/2 (14) Таким образом величина времени FLS1A соотносится с временем распространения сигналов 40a и 40b.

Умножив время FLS1A на скорость распространения радиосигнала в космосе, получим расстояние, пройденное сигналами 40a и 40c. Путем вычитания из этого расстояния ранее вычисленного расстояния D1 получим расстояние LS1A между спутником S1 и объектом 32, где LS1A [(RTD1A/2) c] D1 (FLS1A c) D1 (15) Подобным образом вычисляется расстояние между спутником S2 и объектом 32. Время FLS2A распространения сигнала от станции 10 через спутник S2 равно времени FLS1 плюс временная разница DT, т.е.

FLS2 FLS1 + DT (16) Умножение FLS2A на скорость распространения радиосигнала в космосе дает рассеяние, пройденное сигналами 44a и 44c. Вычитая из него ранее вычисленную величину D2 получаем расстояние LS2A между спутником S2 и объектом 32. Этот процесс определения расстояния можно выразить следующим образом: LS2A (FLS2 c) D2 (17) Необходимо отметить, что D2 может быть также экстраполированной величиной так же, как и D1.

Когда расстояния от спутников S1 и S2 до трех или более фиксированных объектов определены, например до объектов 30, 32, 34, можно определить положение спутников. Трилатерация используется для того, чтобы получить значения декартовых координат спутников S1 и S2 по отношению к центру Земли. Накопление расстояний D1 и LS1A через LS1N используется для вычисления с помощью калмановской фильтрации в процессе трилатерации положения спутника S1 в декартовой системе координат. Аналогичным образом накопление р