Способ автономного мгновенного определения пользователями-абонентами координат местоположения, составляющих вектора скорости, угловой ориентации в пространстве и пеленга по фазе несущей радиосигналов наземных радиомаяков, ретранслируемых спутниками

Способ автономного мгновенного определения пользователями-абонентами координат местоположения, составляющих вектора скорости, угловой ориентации в пространстве и пеленга по фазе несущей радиосигналов наземных радиомаяков, ретранслируемых спутниками

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области спутниковой радионавигации, геодезии, связи и может быть использовано для автономного мгновенного определения пользователями значений координат местоположения, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн спутниковых источников радиоизлучения, координат местоположения и составляющих вектора скорости фазовых центров антенн аппаратуры пользователей, угловой ориентации в пространстве и пеленга, а также для интеграции действующих в настоящее время спутниковых систем узкоцелевого назначения в многоцелевую глобальную интегрированную спутниковую систему (ГИСС), создающей глобальное информационное пространство для предоставления пользователям услуг навигации, геодезии, связи, наблюдения, управления и целого ряда других услуг в реальном масштабе времени, в любое время суток, в любой точке Земного шара и на самом высоком уровне.

Известен способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) и пользователей спутниковых радионавигационных систем (СРНС), реализованный, например, в СРНС второго поколения американской Global Positioning System (GPS) [1].

Каждый спутник GPS, а их в системе 24, непрерывно излучают радиосигналы и передают собственные навигационные сообщения, содержащие служебную информацию, информацию о времени, эфемеридах, параметрах для введения поправок, о составляющих вектора скорости спутников и т.д. Навигационной аппаратурой пользователей (НАП) осуществляют одновременный прием навигационных радиосигналов от четырех НИСЗ, измеряют псевдодальности между навигирующимися пользователями и НИСЗ и производят расчеты, необходимые для решения навигационной задачи.

Формирование массивов навигационной информации, а также загрузку их в память электронно-вычислительных средств соответствующих НИСЗ производят наземными контрольными станциями (КС), контролирующими орбиты НИСЗ, расхождения шкал времени НИСЗ с системным временем и прогнозирование эфемерид каждого НИСЗ.

Используя информацию навигационных сообщений, принятых НАП, и измерения псевдодальностей до четырех выбранных НИСЗ, устанавливают функциональные зависимости между известными значениями координат НИСЗ и неизвестными значениями координат пользователей СРНС. Определение координат пользователей сводится к решению систем из четырех навигационных уравнений с четырьмя неизвестными.

В результате решения системы навигационных уравнений определяют четыре неизвестных: три координаты местоположения пользователя (X_П, Y_П, Z_П) и поправку к его шкале времени (поправку к его часам).

Геометрическим эквивалентом конечного алгоритма решения навигационной задачи этого известного способа является построение относительно используемых НИСЗ четырех поверхностей положения, точка пересечения которых и является искомым положением пользователей.

Аналогичным образом с использованием результатов измерений, но уже квазискоростей, определяют три составляющих вектора скорости пользователя (, , ) и поправку к частоте местного эталона частоты.

Недостатками известного способа являются:

- необходимость нахождения в зоне радиовидимости навигирующегося пользователя одновременно четырех НИСЗ;

- необходимость содержания в СРНС 24 и более НИСЗ;

- наличие наземной сети КС, осуществляющих определение координат местоположения НИСЗ (эфемерид);

- прогнозирование и закладка на борт эфемерид каждого НИСЗ;

- низкая точность навигационных определений.

Известен также способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн спутниковых источников навигационных сигналов и фазовых центров антенн НАП СРНС (Патент РФ №2210788) [2], в котором навигационной аппаратурой (НА), установленной на каждом спутнике, принимают непрерывно излучаемые наземными навигационными радиомаяками (ННРМ) навигационные радиосигналы, промодулированные навигационной информацией, дальномерными кодами и содержащие в своем составе координаты местоположения фазовых центров антенн ННРМ, время и информацию для введения поправок по частоте, по времени, измеряют на мерных интервалах дальности, разности дальностей между фазовыми центрами антенн ННРМ и фазовыми центрами антенн НА НИСЗ, измеряют скорости изменения дальности в серединах и на краях мерных интервалов, разности скоростей навигационных сигналов, затем модулируют измеренной информацией несущие принятых навигационных сигналов, усиливают их и ретранслируют в направлении Земли, которые принимают НАП установленной на пользователях СРНС, измеряют на краях и в серединах мерных интервалов дальности, разности дальностей между фазовыми центрами антенн НИСЗ и фазовыми центрами НАП, скорости изменения дальностей, разности скоростей изменения дальностей, выделяют информации о координатах местоположения фазовых центров антенн ННРМ, о поправках к частотам и задержкам, время и по измеренной, выделенной информации определяют:

- модули вектора положения фазового центра приемной антенны НА НИСЗ;

- модули вектора положения фазового центра антенны источника навигационного радиосигнала (ИНС) НИСЗ;

- значение косинуса угла между векторами базами, соединяющими начала и концы мерных интервалов, и векторами дальностей, соединяющими положения фазового центра антенны ННРМ и положения фазового центра приемной антенны НА НИСЗ;

- значения косинуса угла между векторами базами, соединяющими начала и концы мерных интервалов, и векторами дальностей, соединяющими положения фазового центра антенны НАП и положения фазового центра антенны ИНС НИСЗ;

- модули вектора баз;

- модули вектора положения фазового центра антенны ННРМ;

- модули вектора положения фазового центра антенны НАП СРНС;

- значения углов между вектором дальности, соединяющим положения фазового центра антенны ННРМ и положения фазового центра антенны НА НИСЗ, и вектором положения фазового центра антенны ННРМ;

- значения углов между вектором дальности, соединяющим положения фазового центра антенны НАП СРНС и положения фазового центра антенны ИНС НИСЗ, и вектором положения фазового центра антенны НАП, затем устанавливают системы функциональных зависимостей между известными значениями координат фазовых центров антенн ННРМ и неизвестными значениями координат фазовых центров антенн НА НИСЗ, определяют значения координат и составляющих вектора скорости фазовых центров антенн НА, ИНС НИСЗ, а потом устанавливают системы функциональных зависимостей между известными значениями координат, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн ИНС НИСЗ и неизвестными значениями координат, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн НАП и определяют координаты местоположения, составляющие вектора скорости фазового центра антенн НАП пользователей СРНС путем решения системы навигационных уравнений.

Недостатками известного способа, взятого в качестве прототипа, являются:

- низкая точность навигационных измерений и определений, достоверность и надежность, обусловленные ретрансляцией спутниками навигационной информации и дальномерных кодов наземных навигационных радиомаяков (ННРМ);

- невозможно навигироваться пользователям с использованием несущих частот радиосигналов других спутниковых систем;

- невозможно определить пользователями свою ориентацию в пространстве, пеленг при приеме спутниковых радиосигналов на одну слабонаправленную антенну;

- сложно проводить интеграцию спутниковых систем узкоцелевого назначения в многоцелевую.

Известный способ (прототип) характеризуется следующей совокупностью действий:

- навигационные радиосигналы, несущие которых промодулированы дальномерными кодами и навигационной информацией, а также информацией для введения поправок по частоте и времени, излучают ННРМ;

- навигационной аппаратурой, установленной на спутниках, принимают излученные ННРМ радиосигналы, измеряют с применением дальномерных кодов дальности, разности дальностей между фазовыми центрами антенн ННРМ и фазовыми центрами антенн навигационной аппаратуры, установленной на спутниках, а также измеряют с помощью системы слежения за несущей (ССН) значения приращений дальностей, обусловленные доплеровскими сдвигами частот, значения частот Доплера, скорости изменения дальностей, разности скоростей изменения дальностей, модулируют измеренной информацией несущие ретранслируемых радиосигналов, усиливают их и излучают в направление Земли;

- НАП СРНС принимают ретранслируемые спутниковыми источниками навигационных сигналов (СИНС) навигационные радиосигналы, измеряют с применением дальномерных кодов дальности, разности дальностей между фазовыми центрами антенн СИНС и фазовыми центрами антенн НАП, а также измеряют с помощью ССН значения приращений дальностей, обусловленные доплеровскими сдвигами частот, значения частот Доплера, скорости изменения дальностей, разности скоростей изменения дальностей выделяют навигационную информацию о координатах местоположения фазовых центров антенн ННРМ, информацию о частотно-временных поправках к частотам, задержкам, время и информацию, измеренную СНА, затем по измеренной и выделенной НАП СРНС информации определяют:

- модули вектора положения фазового центра антенны СНА как отношение геоцентрической гравитационной постоянной к произведению квадрата скорости света на разность между единицей и отношением квадрата частоты навигационного радиосигнала, принимаемого СНА, к квадрату частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, умноженной на квадрат суммы из единицы и отношения радиальной скорости фазового центра антенны СНА в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны ННРМ к скорости света;

- модули вектора положения фазового центра антенны спутникового источника навигационного радиосигнала как отношение геоцентрической гравитационной постоянной к произведению квадрата скорости света на разность между единицей и отношением квадрата частоты навигационного радиосигнала, принимаемого НАП, к квадрату частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, умноженной на квадрат разности между единицей и отношением радиальной скорости фазового центра антенны СИНС в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны НАП к скорости света;

- значения косинуса угла между векторами базами, соединяющими начала и концы мерных интервалов, и векторами дальностей, соединяющими положения фазового центра антенны ННРМ и положения фазового центра антенны СНА, а также значения угла как отношения произведений значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА, находящегося в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны ННРМ на значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, к произведению скорости света на корень квадратный из разности квадратов значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, и квадратов значения частоты навигационного радиосигнала, принимаемого СНА, умноженной на квадрат суммы из единицы и отношения значения радиальной скорости фазового центра антенны СНА, находящегося в серединах мерных интервалов, относительно фазового центра антенны ННРМ к скорости света и как арксинус отношений соответственно;

- значения косинуса угла между векторами базами, соединяющими начала и концы мерных интервалов, и векторами дальностей, соединяющими положения фазового центра антенны НАП и положения фазового центра антенны СИНС, а также значения его угла как отношения произведений значений радиальной скорости фазового центра антенны СИНС, находящегося в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны НАП, на значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, к произведению скорости света на корень квадратный из разности квадратов значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, и квадратов значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого НАП, умноженной на квадрат разности между единицей и отношением значения радиальной скорости фазового центра антенны СИНС, находящегося в серединах мерных интервалов, относительно фазовых центров антенн НАП к скорости света и как арккосинус отношений соответственно;

- модули вектора базы как произведение отношений разности дальностей между фазовым центром антенны ННРМ и фазовым центром антенны СНА на мерных интервалах, умноженные на скорость света к радиальной скорости фазового центра антенны СНА, относительно фазового центра антенны ННРМ, умноженной на значение частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, на корень квадратный из разности квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, и квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого СНА, и умноженной на квадрат суммы из единицы и отношения значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА, находящегося в серединах мерных интервалов, относительно фазового центра антенны ННРМ к скорости света;

- модули вектора базы как произведение отношений разности дальностей между фазовым центром антенны СИНС и фазовым центром антенны НАП на мерных интервалах, умноженные на скорость света к радиальной скорости фазового центра антенны СИНС, относительно фазового центра антенны НАП, умноженной на значения частоты навигационного радиосигнала, переизлучаемого СИНС, на корень квадратный из разности квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, переизлучаемого ИСЗ, и квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого НАП, умноженной на квадрат разности из единицы и отношения значений радиальной скорости фазового центра антенны СИНС, находящегося в серединах мерных интервалов, относительно фазового центра антенны НАП к скорости света;

- разности дальностей между фазовыми центрами антенн ННРМ и фазовыми центрами антенн СНА, а также разности дальностей между фазовыми центрами антенн СИНС и фазовыми центрами антенн НАП путем выделения информации о приращениях фаз несущих навигационных радиосигналов, обусловленных доплеровскими сдвигами частот в целях управления частотами генераторов управляемых напряжением ССН в СНА и НАП;

- дальность между фазовым центром антенны СИНС и фазовым центром антенны НАП как отношения произведений значений радиальной скорости фазового центра антенны СИНС в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны НАП, измеренные с помощью НАП, и квадрата модуля вектора базы, определяемого мерным интервалом, к произведению разности радиальных скоростей на краях мерных интервалов на разность дальностей, умноженные на квадрат синуса арккосинуса отношения значений разностей дальностей, измеренных путем выделения информации о приращениях фаз несущих навигационных радиосигналов, обусловленных доплеровскими сдвигами частот в цепи управления генератора, управляемого напряжением ССН НАП, к значениям модуля вектора базы;

- дальность между фазовым центром антенны ННРМ и фазовым центром антенны СНА как отношение произведений значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА в серединах мерных интервалов относительно фазового центра антенны ННРМ, измеренные с помощью ССН СНА, и квадрата модуля вектора базы, определяемого мерным интервалом, к произведению разности радиальных скоростей на краях мерных интервалов на разность дальностей, умноженные на квадрат синуса арккосинуса отношения значений разностей дальностей, измеренных путем выделения информации о приращениях фаз несущих навигационных радиосигналов, обусловленных доплеровскими сдвигами частот в цепях управления генераторов, управляемых напряжением ССН СНА, к значениям модуля вектора базы;

- дальность между фазовым центром антенны ННРМ и фазовым центром антенны СНА как отношения разности дальностей между фазовым центром антенны ННРМ и фазовым центром антенны СНА, измеренные с помощью ССН как приращения дальности на мерном интервале, умноженные на квадрат скорости света, к разности скорости изменения дальностей на мерном интервале, умноженной на квадрат значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, и разность дальностей, умноженные на разности квадратов значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, и квадратов значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого СНА, умноженные на квадрат суммы из единицы и отношения значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА к скорости света, вторично умноженные на синус арккосинус отношения произведений значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА на значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, к произведениям разности дальностей и скорости света, умноженные на корень квадратный из разности квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого ННРМ, и квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого СНА, умноженные на квадрат суммы из единицы и отношения значений радиальной скорости фазового центра антенны СНА к скорости света;

- дальность между фазовым центром антенны СИНС и фазовым центром антенны НАП как отношения разности дальностей между фазовым центром антенны СИНС и фазовым центом антенны НАП, измеренные с помощью ССН, как приращения дальности на мерном интервале, умноженные на квадрат скорости света, к разности скорости изменения дальностей на мерном интервале, умноженной на квадраты значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, и разность дальностей, умноженные на разности квадрата значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, и квадратов значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого НАП, умноженные на квадрат разности из единицы и отношения значения радиальной скорости фазового центра антенны СИНС к скорости света, вторично умноженные на синус арккосинус отношений произведения значений радиальной скорости фазового центра антенны СИНС на значения частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, к произведениям разности дальностей и скорости света, умноженные на корень квадратный из разности квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, излучаемого СИНС, и квадрата значений частоты навигационного радиосигнала, принимаемого НАП, умноженные на квадрат разности из единицы и отношения значения радиальной скорости фазового центра антенны СИНС к скорости света;

- устанавливают системы функциональных зависимостей между известными значениями координат фазовых центров антенн ННРМ, а также известными координатами размещения начала прямоугольной геоцентрической системы координат и неизвестными значениями координат фазовых центров антенн СИНС, определяют значения координат и составляющих вектора скорости фазовых центров антенн СИНС путем решения систем навигационных уравнений, затем устанавливают системы функциональных зависимостей между известными значениями координат, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн СИНС, известными координатами размещения начала прямоугольной геоцентрической системы координат и неизвестными значениями координат, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн НАП и определяют координаты местоположения, составляющие вектора скорости фазового центра антенн НАП СРНС путем решения соответствующих систем уравнений.

Технической задачей (целью) настоящего изобретения является автономное мгновенное определение пользователями-абонентами координат своего местоположения составляющих вектора скорости, угловой ориентации в пространстве и пеленга по фазе несущей радиосигналов наземных радиомаяков, ретранслируемых спутниками.

Поставленная цель достигается за счет новой совокупности действий и применения новых алгоритмов решения навигационной задачи.

Геометрическая интерпретация сущности предлагаемого способа иллюстрируется на фигурах 1, 2, 3.

На фигуре 1 приведена геометрическая схема, иллюстрирующая навигационные измерения и определения координат фазового цента антенн спутников по фазе несущих радиосигналов, излучаемых двумя наземными радиомаяками.

На фигуре 2 приведена геометрическая схема, иллюстрирующая навигационные измерения и определения координат фазового центра антенн пользователей по фазе несущих радиосигналов наземных радиомаяков, ретранслируемых двумя спутниками.

На фигуре 3 приведена геометрическая схема, иллюстрирующая связь измеренных значений азимутов с использованием компаса и спутников с поправкой курсоуказания в системе координат, связанной с судном,

где ДП - дирекционный пеленг;

N - истинное направление на север;

N_к - направление на север, измеренное компасом;

X^T, Y^T, Z^T - оси топоцентрической системы координат.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Сетью простейших автоматических радиомаяков, размещенных на поверхности Земли таким образом, чтобы в зоне радиовидимости каждого спутника непрерывно находилось два радиомаяка, непрерывно излучающих несущие радиосигналов. В качестве радиомаяков могут быть использованы, например, существующие действующие, стационарные терминалы связных спутниковых систем или радиомаяки, непрерывно излучающие несущие радиосигналов.

Основные требования: непрерывно излучаемые радиосигналы радиомаяков излучали достаточную мощность несущих для уверенного приема приемными устройствами спутниковых ретрансляторов; ретранслируемые сигналы имели информацию о принадлежности сигналов к соответствующим радиомаякам, и были известны координаты местоположения радиомаяков (фазовых центров антенн) с достаточной точностью, которые при производстве аппаратуры пользователей (АП) записываются в их запоминающие устройства.

Приемными устройствами спутниковых ретрансляторов (ПУСР) непрерывно принимаются несущие радиосигналов от двух радиомаяков и более, находящихся в зоне радиовидимости, и информацией о изменении принимаемых частот несущих, имеющейся в цепях управления частотами генераторов, управляемых напряжением схем слежения за несущими (ССН) на краях и в серединах одних и тех же мерных интервалов в системах отсчета времени спутников, модулируются несущие радиосигналов, усиливаются и затем излучаются (ретранслируются) в направлении Земли. При этом сигналы радиомаяками могут излучаться в одном частотном диапазоне, а ретранслироваться спутниками в другом.

Для определения координат и скорости навигирующимися пользователями производится одновременный прием, но уже ретранслированных сигналов радиомаяков от двух спутников выделяется информация о принадлежности сигналов соответствующим радиомаякам и информация ССН об изменениях принимаемых несущих сигналов ПУСР, а также фиксируется информация об изменении значений несущих на краях и в серединах мерных интервалов, имеющиеся в цепях управления генераторов управляемых напряжением (ГУН) ССН АП.

Выделенная и зафиксированная информация в АП позволяет произвести вычисления навигационных параметров, которые в свою очередь позволяют установить навигационные зависимости между известными значениями направляющих косинусов векторов положения радиомаяков и неизвестными значениями направляющих косинусов векторов положения спутников. В результате решения системы навигационных уравнений в аппаратуре абонентов определяются значения и направляющих косинусов векторов положения спутников. Затем устанавливаются функциональные зависимости между известными значениями направляющих косинусов векторов положения спутников и неизвестными значениями направляющих косинусов векторов положения пользователей. Далее определяются координаты местонахождения пользователей без знания координат спутников с использованием только известных координат радиомаяков, записанных в запоминающие устройства АП при изготовлении аппаратуры.

При применении предложенного способа автономного определения абонентами своего местоположения отпадает необходимость также передавать каждым спутником собственные сообщения, на основе которых в действующей в настоящее время НАП производится решение навигационной задачи.

В основу предложенного способа автономного местоопределения спутников и пользователей положена дифференциальная радиально-скоростная методика измерений приращений фаз, обусловленных доплеровским сдвигом частоты. Современная радиально-скоростная дифференциальная методика базируется на измерениях доплеровских смещений частоты, которые приобретают излученные колебания номинальной частоты на трассе распространения между оконечными пунктами, находящимися в относительном движении с применением спутниковых линейных интерферометров и систем слежения за несущими частотами сигналов, принимаемыми приемными устройствами спутников и пользователей спутниковых систем.

При измерениях с применением дифференциальной радиально скоростной методики мерный интервал сравнительно мал (единицы секунд) и за время Т_M измерение приращений фаз (приращений дальностей), обусловленных доплеровским сдвигом частоты, можно считать линейным. Разделив результат измерений приращений фаз на Т_M, получим значение доплеровской частоты (радиальной скорости), пропорциональное мгновенному значению, а разделив на волновое число , получим значение разности дальностей за время мерного интервала Т_M.

Классическое представление принципа работы интерферометра - измерение разности фаз колебаний, принимаемых двумя антеннами, разнесенными в пространстве (радиопеленгатор). Однако прием может осуществляться и на одну антенну, но тогда излучение принимаемого сигнала должно осуществляться разнесенными антеннами (фазовый радиомаяк). Демонстрацией работы интерферометра на базе второго принципа является прием пользователями спутниковых систем на мерных интервалах радиосигналов, излучающих движущимися спутниками. Расстояние, пройденное антенной спутника (фазовым центром) за мерный интервал, называется базой (базовым расстоянием d). Пользователи спутниковых систем удалены от центров баз на расстояния, во много раз превышающие d. В этом случае направления прихода сигналов спутников на мерных интервалах можно считать параллельными и можно записать разность расстояний в виде [3]:

i=1,2,...,

где α_t* - угол между направлением на пользователя (фазовый центр антенны АП) и нормалью к базе, проходящей через ее центр; π=3,1415....

Направление «пользователь - спутник» определяется направляющим углом θ_t*, отсчитываемый относительно базы. Направление часто характеризуется также величиной cosθ_t*, которая носит название направляющий косинус [4], [5].

Зная величину базы и измеряя тем или иным способом разность расстояний ΔR, можно определить направление на пеленгуемый спутник (источник излучения).

При фазовом методе измеряется разность фаз Δϕ колебаний. Если длина волны принимаемых колебаний равна λ, то

где носит название крутизны пеленгационной характеристики или чувствительности [3].

Поскольку разность фаз Δϕ пропорциональна направляющему косинусу угла прихода волны, определение направления фазовым методом сводится к измерению разности фаз (разности дальностей).

Таким образом, чувствительность спутникового интерферометра, а следовательно, и точность пеленгования, точность измерения радионавигационных параметров растут с увеличением отношения d/λ (увеличением мерного интервала).

Для уменьшения погрешностей, обусловленных флюктуацией фазы за счет среды, в которой распространяются радиоволны, а также за счет отсчетов фазы необходимо чтобы размер базы превышал эффективный радиус корреляции неоднородностей среды.

Геометрическая интерпретация измерений радионавигационных параметров с применением спутниковых линейных интерферометров и радиально-скоростной дифференциальной методики предлагаемого способа иллюстрируется на фигурах 1, 2.

Поверхности положения для радиальной скорости представляют собой конусы, уравнения которых [5]

где , , , - радиальные скорости и линейные скорости кругового движения спутников, измеренные с применением информации ГУН ССН ПУСР и ГУН ССН АП об изменении несущих частот принимаемых сигналов соответственно.

Оси этих конусов направлены по вектору скорости спутников, а вершины в момент измерения радиальной скорости находятся в фазовых центрах антенн спутников. По мере приближения спутников к пользователю радиальная скорость, оставаясь отрицательной, убывает по значению, угол θ увеличивается (конус «разворачивается»). В момент максимального приближения спутников к пользователю угол θ=90° конус вырождается в плоскость. Затем радиальная скорость становится положительной, θ>90° (конус «выворачивается наизнанку»).

Пространственное визирование с использованием спутниковых фазовых радиомаяков (линейных интерферометров) позволяет обозначить угловое положение линии, соединяющие фазовый центр антенн радиомаяков и фазовый центр антенн спутников, а также фазовый центр антенн спутников и фазовый центр антенн пользователей. Процессу пространственного пеленгования отвечает множество поверхностей, с которыми можно совместить линии визирования. Поверхностями положения в этом случае могут быть только те из них, которые имеют линейные образующие - линейчатые поверхности, например конические поверхности.

Линии визирования удобно задавать направляющими углами α, β, γ, заключенными между этими линиями и координатными осями. Вместо углов возможно употреблять значения их косинусов (cosα, cosβ и cosγ), что удобно для нахождения через эти направляющие косинусы соответствующих слагающих координат по осям. Из направляющих углов только два являются независимыми, а третий определяется через них.

Одним из видов навигационных измерений является метод измерения приращений фаз несущих навигационных радиосигналов с использованием радиально-скоростной дифференциальной методики.

Для измерения радионавигационного параметра (набега фаз колебаний несущих частот радиосигналов, обусловленных доплеровским сдвигом частоты) с применением радиально-скоростной дифференциальной методики обработки фазовых измерений, используются ССН ПУСР и ССН АП.

ССН предназначены для слежения за фазой несущих, выделения информации и измерения доплеровских сдвигов частот. Для обеспечения быстрой синхронизации по несущей используется кольцо цифровой фазовой автоматической подстройки частоты (ЦФАПЧ). Кольцо фазовой подстройки частоты отслеживает изменение частоты входного сигнала. Информации об изменении частоты входного сигнала имеется в цепи управления частотой подстраиваемого ГУН, с помощью которой частота генерируемого им сигнала поддерживается равной частоте входного сигнала.

Кольцо ЦФАПЧ относительно просто и с высокой точностью позволяет измерить на мерном интервале набег нециклической фазы выходного колебания (т.е. фазы, изменяющейся в пределах, не ограниченных интервалом длиной 2π). Это дает возможность применять относительно простые квазиоптимальные алгоритмы измерений приращений фаз по сигналу, замаскированному шумом [6].

Измеренные значения набега фаз с помощью ССН ПУСР и ССН АП включают в себя как основную (рабочую) составляющую фазы обусловленные эффектом Доплера, так, дополнительную составляющую фазы , , вызванные рассогласованием временных шкал в радиолиниях «радиомаяки спутники», «спутники - пользователи» соответственно

При радиально-скоростном дифференциальном режиме измерений можно считать, что неизвестные приращения фаз, обусловленные нестабильностью частот опорных генераторов оконечных пунктов радиоизмерительных трасс, сохраняются на протяжении измерительного сеанса постоянными и в процессе измерений разностей фаз они взаимно скомпенсируются. Поэтому в выражениях, определяющих значения измеренных разностей фаз (приращений фаз), они отсутствуют.

С целью более существенного уменьшения дисперсии фазовых измерений технология измерения набега фаз с помощью рассматриваемой методики предусматривает еще и вторичное усреднение, близкое к оптимальному. Вторичное усреднение измерений производится путем измерения усредненных значений набега фаз на первой и на второй половинах мерного интервала и образования затем их разностей (двойных разностей фаз).

В этом случае в измеренных значениях разностей набега фаз, учитывая, что неизвестные расхождения временных шкал сохраняются на протяжении измерительного сеанса постоянными, взаимно скомпенсируются и также в конечных измеренных значениях радионавигационного параметра будут отсутствовать.

Таким образом, рассмотренная дифференциальная радиально-скоростная методика измерений разности набега фаз колебаний несущих частот навигационных радиосигналов с двойным усреднением на мерных интервалах позволяет практически мгновенно производить высокоточные измерения текущих значений радионавигационных параметров, являющимися основой вначале для определения навигационных параметров, а затем и установления функциональных навигационных зависимостей (алгоритмов) решения навигационной задачи.

Основное достоинство скоростного дифференциального радиального метода измерений навигационных параметров - отсутствие в измерениях систематических погрешностей, погрешностей, обусловленных расхождением шкал времени и частот генераторов радиомаяков - спутников, спутников - пользователей (абонентов).

Алгоритм оценки доплеровских сдвигов частоты (разности фаз несущих частот, обусловленных доплеровским сдвигом частоты) при измерении навигационных параметров используется дважды. Первый раз измеряется в радиолинии «радиомаяк - спутник» и второй раз измеряется в радиолинии «спутник - пользователь»

Реальные измеренные значения приращений дальностей ΔR^пр.с, ΔR^пр.п, радиальных скоростей спутниковой аппаратурой и аппаратурой пользователей соответственно будут определяться выражениями