Способ разрешения фазовых неоднозначностей

2.8. Принципы разрешения неоднозначностей при фазовых измерениях

Как уже отмечалось ранее, при определении расстояний до спутников фазовыми методами возникает достаточно сложная проблема разрешения неоднозначности, т. е. нахождения целого числа длин волн N, укладывающихся в измеряемом расстоянии от спутника до приемника. Эта сложность обусловлена, прежде всего, тем, что определяемые дальности оцениваются величинами около 20 ООО км, в то

время как длина волны несущих колебаний в системе GPS составляет всего 0,2 м. При таких исходных предпосылках параметр Охарактеризуется числами порядка 10 8 . Следовательно, для того, чтобы не вносить грубых ошибок в результаты измерений, т. е. уверенно определять величину N с точностью до одной целой единицы, необходимо обеспечить надежное нахождение этой величины с относительной погрешностью менее, чем МО’ 8 . При этом приходится учитывать и такие факторы, как непрерывное изменение величины N из-за орбитального движения спутника, а также необходимость нахождения серии таких величин для нескольких одновременно наблюдаемых спутников, поскольку для каждого конкретного спутника величина N имеет свое индивидуальное значение.

При отработке подходов к выбору эффективных методов разрешения неоднозначности наблюдается стремление выполнить следующие основные предпосылки:

1) перед процедурой, связанной с определением параметра N, целесообразно исключить все основные источники систематических ошибок, которые обусловливают смещение результатов измерений и искажают истинное значение N, не позволяя рассматривать ее как целочисленную величину;

2) для исключения необходимости многократного определения величины TVдля каждого спутника по мере его орбитального движения целесообразно ограничиться нахождением этой величины только в начальной точке наблюдения конкретного спутника, а затем отслеживать ее изменения по показаниям фазоизмерительного устройства;

3) выбираемые методы должны обеспечивать точность предварительных определений значений измеряемых расстояний, связанных с процедурой разрешения неоднозначности, не хуже половинного значения длины волны несущих колебаний, т. е. применительно к GPS на уровне около 10 см;

4) желательно, чтобы предлагаемые методы были достаточно универсальными с тем, чтобы можно было их использовать при работе как с двухчастотными, так и с одночастотными приемниками, в которых исключается возможность использования двух несущих частот с целью разрешения неоднозначности.

При выполнении перечисленных выше предпосылок открывается возможность ограничиться нахождением величины Столько в начальной точке отслеживаемой траектории наблюдаемого спутника, т. е. осуществить разрешение так называемой начальной неоднозначности. Применительно к такой постановке задачи рассмотрим несколько наиболее распространенных методов разрешения неоднозначностей, характерных для спутниковых GPS измерений. К ним относятся:

— метод, базирующийся на комбинации кодовых и фазовых изме-

— метод поиска наиболее вероятных значений величины N;

— нетривиальные методы разрешения неоднозначности.

2.8.1. Геометрический метод

Сущность данного метода состоит в том, что после захвата радиосигнала и начала фазовых измерений непрерывно отслеживаются целочисленные изменения фазы, т. е. циклы. Неизвестная начальная величина N считается при этом неизменной при выполнении измерений во всех последующих точках траектории движения наблюдаемого спутника. Измерения моделируются на основе использования уравнения (2.13):

АФ = — f £ + N + AN + f(St np — + , (2.32)

где А N — отсчитываемые с помощью фазометра целочисленные изменения фазовых циклов, обусловленные движением спутника по орбите. Пояснения обозначений остальных входящих в данную формулу величин было дано ранее.

Интересующее нас значение N включается в число неизвестных. Оно определяется в процессе решения системы уравнений, относящихся к отсчетам при нахождении спутника в различных точках траектории. При этом используются первые и вторые разности дифференциальных измерений, а также доплеровские решения.

Надежность нахождения величины N зависит от длительности наблюдения спутника (чем больше эта длительность, тем надежнее определяется величина N). При этом не допускается пропуск отсчитываемых фазовых циклов, который может возникать в случае временных пропаданий радиосигналов от наблюдаемого спутника (например, изза экранировки этих сигналов окружающими объектами).

К положительным сторонам данного метода следует отнести простоту и четкость постановки задачи при моделировании такой процедуры, возможность его применения при работе на одной несущей частоте, а также сравнительно быстрое достижение поставленной цели.

Негативными сторонами рассматриваемой процедуры разрешения неоднозначности являются такие факторы, как рекомендации, связанные с увеличением длительности сеанса наблюдений, влияние недостаточно полно исключенных систематических погрешностей, обусловленных атмосферой (в частности, ионосферой), положением спутника на орбите и другими факторами, а также необходимость предварительного выявления и последующего устранения пропуска фазовых циклов.

2.8.2. Метод комбинированного использования кодовых

и фазовых измерений

Реализация данного метода базируется, как правило, на совместном применении двухчастотных фазовых и кодовых измерений. С учетом этого рассмотрим основные особенности двухчастотных фазовых измерений применительно к решению проблемы неоднозначности.

При выполнении фазовых измерений на двух передаваемых со спутника несущих частотах L1 и L2 представляется возможным образовать различные комбинации этих измерений и, в частности, их разность:

где ДФ £1 и ДФ 12 — измеряемые GPS-приемником фазовые сдвиги, относящиеся к несущим колебаниям с частотами L1 и L2.

Получаемая при этом разность АФ ДЬ эквивалентна фазовому сдвигу, характерному для разностной частоты AL, номинальное значе-

ние которой равно:

/ a l L = / l i — / l 2

Длина волны таких разностных колебаний равна 86,2 см. Это значение существенно превышает длины волн основных несущих колебаний, которые соответственно равны 19,0 и 24,4 см.

Отмеченный метод перехода к более низкочастотным колебаниям получил название метода широкой дорожки, при использовании которого существенно облегчается нахождение целочисленных значений N на ранней стадии их вычислений.

Для решения поставленной задачи установим взаимосвязь между значениями N, характерными как для основных несущих частот L1 и L2 , так и для их разностей.

В соответствии с формулой (2.13) имеем:

+ N Ll + f Ll (& пр — + Л А,™,,

Дф.2 = — /i2 — +tfi2 +/«( -st c )+f L1 a amML2

В этих формулах атмосферные задержки обусловлены, главным образом, влиянием ионосферы. Модельное представление такого влияния описывается следующим приближенным соотношением:

2 ‘ (2.35) где к — коэффициент, зависящий от концентрации электронов в ионосфере, от длины пути прохождения радиосигнала через ионизированную среду и от скорости электромагнитных волн в вакууме;/— частота несущих колебаний.

Знак «минус» в формуле (2.35) свидетельствует о том, что отдельные спектральные составляющие излучаемых колебаний при прохождении через ионосферу с фазовой скоростью испытывают не торможение, а, наоборот, ускорение.

С учетом приведенных выше предпосылок формулы (2.34) приобретают вид:

причем для разности величин ДФ £1 и ЛФ 12 можно записать:

Источник

СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01S3/00 G01S5/00

Описание патента на изобретение RU2157547C1

Изобретение относится к области навигации и может использоваться при разработке и модернизации аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой осуществляется измерение псевдодальностей до навигационных спутников по фазе несущих частот.

Применение СРНС для высокоточной навигации, определения ориентации потребителя в пространстве и геодезических работ требует специальных способов обработки навигационных радиосигналов — фазовых измерений на несущих частотах (НЧ). Это позволяет измерять псевдодальности до навигационных искусственных спутников земли (НИСЗ) с ошибкой менее одного сантиметра и получить точность навигационных определений (НО) порядка единиц сантиметров. Основной проблемой, возникающей при таких измерениях, является проблема устранения неоднозначности фазовых измерений, то есть проблема согласования шкал измерений на фазах НЧ и шкалы измерений на фазе дальномерного кода (ДК).

Условие согласования шкал для СРНС заключается в том, что удвоенная погрешность измерения фазы ДК, выраженная в метрах, должна быть меньше длины волны НЧ, на которой производятся измерения фазы. Ошибка измерения фазы ДК может быть определена по формуле:

где Δ — длительность элемента ДК в метрах, C/N₀ — отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума на входе приемника, а B_ССЗ — эквивалентная шумовая ширина полосы схемы слежения за задержкой ДК. Длительность элемента кода высокой точности в СРНС ГЛОНАСС составляет 58,71 м, а в НАВСТАР — 29,32 м. Эквивалентная шумовая ширина полосы в современных образцах аппаратуры потребителя типа Бриз (СН-3601, СН-3706) составляет 1 Гц. При отношении сигнал/шум 40 дБГц, ошибки измерения фазы ДК составляют 0,42 м и 0,21 м для ГЛОНАСС и НАВСТАР соответственно. Таким образом, условие согласования шкал не выполняется и возникает проблема неоднозначности фазовых измерений, заключающаяся в нахождении целого числа длин волн, укладывающихся в измеряемой псевдодальности, и последующего вычисления псевдодальности с точностью до фазы НЧ.

Известен способ разрешения неоднозначности путем дополнительных измерений на разности несущих частот [1, стр.306], в котором диапазон однозначных измерений расширяется за счет использования синтезированной длины волны где С — скорость света, а f₁ и f₂ — несущие частоты. Этот способ обеспечивает увеличение диапазона приблизительно в 4,5 раза на длине волны λ₁, однако снижает точность и надежность фазовых измерений и может применяться только при достаточно высоком отношении сигнал/шум, когда ошибка измерения фазы ДК не превышает диапазон однозначного измерения фаз.

Известны также способы разрешения неоднозначности на основе минимума среднеквадратической погрешности места определения [1, стр.306], метода наименьших квадратов и функции неоднозначности [2, стр. 132], являющиеся частными случаями метода максимального правдоподобия. Все эти методы требуют избыточной информации, получаемой за счет увеличения числа измерителей и времени получения измерений, что приводит к усложнению аппаратуры потребителя и снижению надежности НО.

Целью изобретения является разрешение неоднозначности фазовых измерений в СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, повышение надежности НО при измерениях по фазе НЧ и улучшение массогабаритных характеристик аппаратуры потребителя СРНС.

Предлагаемый способ разрешения неоднозначности фазовых измерений заключается в том, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении c погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ — длины волн на НЧ f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на НЧ f₁

и f₂

с точностью до фазы несущей.

Выбранное отношение НЧ позволяет расширить диапазон однозначного измерения фаз в 9 раз на частоте f₁ и в 7 раз на частоте f₂ путем синтеза волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел [3] . Такое расширение диапазона позволяет разрешать неоднозначность при более низком отношении сигнал/шум, обеспечить согласование измерительных шкал при более широкой эквивалентной шумовой полосе схемы слежения за задержкой и не требует дополнительных измерений. Технический результат заключается в расширении диапазона однозначного измерения фаз и определении псевдодальностей до НИСЗ с точностью до фаз несущих частот.

Предложенный способ разрешения неоднозначности фазовых измерений отличается тем, что на двух НЧ f₁ и f₂, находящихся в отношении с погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до 2 π с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ₀= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов волны λ₁ и число периодов волны λ₂ заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, где λ₁ и λ₂ — длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа X, a L ≡ YmodZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно используя ДК высокой точности, измеряют псевдодальность R_К до НИСЗ и вычисляют оценку целого числа длин волн и оценку целого числа длин волн укладывающихся в измеренной псевдодальности R_К, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности на несущих частотах f₁ и f₂ c точностью до фазы несущей.

Изобретение основано на использовании фазовых измерений на двух НЧ, измерений псевдодальности с использованием ДК высокой точности, синтеза дополнительной длины волны и обработки измерений с использованием математического аппарата теории чисел.

Предложенный способ разрешения неоднозначности может быть реализован в аппаратуре потребителя СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР, в которой измеряются фазы несущих частот (например, Бриз СН-3601, СН-3706). В этой аппаратуре измерения фаз НЧ выполняются с погрешностью 4 мм, что составляет приблизительно 0,022 фазового цикла. Для ГЛОНАСС отношение НЧ является точным а для системы НАВСТАР точное отношение с использованием алгоритма Евклида для нахождения подходящих дробей, аппроксимируется отношением с погрешностью Такая аппроксимация позволяет унифицировать способ разрешения неоднозначности для СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР и выполнить условие согласования НЧ между собой.

Источники информации:
1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы /B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич и др.: Под ред. B.C. Шебшаевича. — М.: Радио и связь, 1993.-408 с.

2. Frank van Graas GNSS Augmentation for High Precision Navigation Services. //AGARD- LS-207, FRANCE, 1996, 128-141 c.

3. Виноградов И.М. Основы теории чисел, Москва, 1953. — 180 с.

Похожие патенты RU2157547C1

название	год	авторы	номер документа
СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМЕ GPS	2000	Пономарев В.А. Бахолдин В.С.	RU2213979C2
СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ	1999	Ткачев Е.А. Добриков В.А. Бахолдин В.С. Сахно И.В. Фатеев В.Ф.	RU2155969C1
ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР	2000	Дикарев В.И. Замарин А.И. Рахматулин А.М. Косырев В.Ф. Родин Д.Ф.	RU2165628C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЭПИЦЕНТРА ОЖИДАЕМОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ	1999	Дикарев В.И. Доронин А.П. Тертышников А.В.	RU2149427C1
СПОСОБ ГРУППОВОЙ НАВИГАЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ	1997	Ткачев Е.А. Добриков В.А. Бахолдин В.С. Сахно И.В. Фатеев В.Ф.	RU2130622C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕЙСТВИЙ И СОСТОЯНИЯ НАБЛЮДАЕМОГО ЧЕЛОВЕКА	2000	Дикарев В.И. Койнаш Б.В. Присяжнюк С.П. Беломытцев В.А.	RU2197309C2
УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ	2000	Дикарев В.И. Койнаш Б.В. Присяжнюк С.П. Беломытцев В.А.	RU2177167C2
АЭРОФОТОАППАРАТ	2000	Ивкин А.А. Шабаков Е.И.	RU2180449C2
ВЕРТОЛЕТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ	1999	Дикарев В.И. Замарин А.И. Рахматулин А.М. Родин Д.Ф. Косырев В.Ф.	RU2173864C1
СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ ФАЗОВЫХ НЕОДНОЗНАЧНОСТЕЙ	2005	Алексеев Валерий Евгеньевич Соловьев Александр Николаевич	RU2295737C1

Реферат патента 2000 года СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и НАВСТАР заключается в том, что измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до π на двух несущих частотах f₁ и f₂, находящихся в заданном отношении ≈ 9/7 относительно друг друга, затем синтезируют длину волны Λ₀ = 9λ₁ = 7λ₂, где λ₁ и λ₂ — длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют с использованием математического аппарата теории чисел число периодов r₁ и r₂ соответственно длины волны λ₁ и λ₂, заключенных в синтезированной длине волны Λ₀, одновременно, используя дальномерный код высокой точности, измеряют псевдодальности R_к до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности R_к, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности, и сами псевдодальности R_f1 и R_f2 на несущих частотах f₁ и f₂ с точностью до фазы несущей. Технический результат заключается в повышении надежности навигационных определений при измерениях по фазе несущих частот (НЧ), выполнение условия согласования НЧ между собой, улучшение массогабаритных характеристик потребителя СРНС.

Формула изобретения RU 2 157 547 C1

Способ разрешения неоднозначности фазовых измерений путем приема и обработки радионавигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем, отличающийся тем, что на двух несущих частотах f₁ и f₂, находящихся в отношении с погрешностью измеряют фазы ϕ₁ и ϕ₂ в диапазоне от 0 до π, с погрешностью менее 0,03 фазового цикла, затем синтезируют длину волны Λ_o= 9λ₁= 7λ₂ и, используя измерения фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяют число периодов длины волны λ₁

и число периодов волны λ₂

заключенных в синтезированной длине волны Λ_o, где λ₁ и λ₂ длины волн на несущих частотах f₁ и f₂ соответственно, int(X) есть целая часть числа Х, а L≡Y modZ есть сравнение числа L с числом Y по модулю Z, одновременно, используя дальномерный код высокой точности, измеряют псевдодальности R_к до навигационных спутников и вычисляют оценку целого числа длин волн λ₁ и оценку целого числа длин волн λ₂ укладывающихся в измеренной псевдодальности R_к, далее разрешают неоднозначность, вычисляя целое число длин волн λ₁ и λ₂, укладывающихся в измеренной псевдодальности и сами псевдодальности на несущих частотах f₁
и f₂ с точностью до фазы несущей.

Источник