Способ определения координат источника радиоизлучения - RU2646595C1

Описание

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в зонах навигации. Радиосигнал формирует и передает источник радиоизлучения, находящийся на объекте. Его принимают системой стационарных наземных станций с заданными координатами фазовых центров антенн, передают принятые станциями радиосигналы в единый центр приема и обработки и в нем определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат объекта.

Известны способы определения координат объектов, основанные на применении угломерных, дальномерных, разностно и суммарно-дальномерных и комбинированных методов определения местоположения объекта с амплитудными, временными, частотными, фазовыми и импульсно-фазовыми методами измерения параметров радиосигнала (Патенты РФ №2018855, 2096800, 2115137, 2213979, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2584976, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506; Патенты США №9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630 А1. 2016/0330584 А1, 2016/0337933 А1; Основы испытаний летательных аппаратов / Е.И. Кринецкий и др. Под ред. Е.И. Кринецкого. - М.: Машиностр., 1979, с. 64-89; Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, с. 7, 17-18, пп. 7.1-7.4, гл. 10; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.: Радиотехника, 2008, гл. 5; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. радио, 1979, с. 10-11, 97-100).

Известные способы имеют те или иные недостатки, например необходимость механического перемещения антенной системы, невозможность однозначного определения координат объекта, необходимость априорной информации о местоположении объекта, необходимость общей синхронизации передающих и принимающих радиосигналы радиотехнических объектов, недостаточные быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объектов по патенту RU №2617711.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения пространственных координат объекта без привлечения дополнительной информации. Это достигается тем, что на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде двух гармонических колебаний с заданными частотами ƒ_i и ƒ_j. При приеме и обработке радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На каждой n-той станции синхронизированно принимают передаваемый с объекта радиосигнал. Принятые сигналы передают по соответствующим линиям связи (электрическим, оптическим и др.) в единый центр. В нем осуществляют прием каждого из принятых по линиям связи аналоговых радиосигналов и его преобразование в соответствующий ему цифровой сигнал, содержащий две цифровых составляющих. Для них формируют квадратурные им цифровые компоненты (КЦК). По полученным таким образом цифровым сигналам (ЦС) для различных двух n-тых ЦС формируют КЦК, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_i и соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_j. По сформированным таким образом КЦК и при выполнении заданных в способе условий однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, радиосигналы принимают системой, состоящей из N≥4 упорядоченно пронумерованных n-тых наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами ƒ_i=iΔƒ и ƒ_j=jΔƒ, где Δƒ - заданная частота, индекс i является заданным целым положительным числом, индекс j=i+k, при этом целое положительное число k задано так, чтобы i и j были взаимно простыми числами, упомянутый радиосигнал синхронизированно принимают на каждой наземной n-той станции и передают его по соответствующим n-тым линиям связи в единый центр приема и обработки радиосигналов, в котором известны все упомянутые числа и частоты, в нем, используя единую опорную частоту генератора, осуществляют прием каждого n-того из принятых по линиям связи N радиосигналов, преобразуют каждый n-тый аналоговый радиосигнал, состоящий из двух упомянутых составляющих с частотами ƒ_i и ƒ_j, в соответствующий ему цифровой, содержащий две цифровые составляющие Q_ni и Q_nj, соответственно. Для каждой из них каждого n-того радиосигнала любым из известных алгоритмов формируют квадратурные им цифровые компоненты I_ni и I_nj, соответственно, по полученным таким образом цифровым сигналам для различных двух n-тых цифровых сигналов формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_i и соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_j. По сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам при условии, что расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину известной в упомянутом едином центре разности временных задержек радиосигналов, соответствующих этой паре радиосигналов, возникающих при приеме, передаче по линиям связи и обработке, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ.

С учетом указанных разностей временных задержек радиосигналов однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты объекта с достижением указанного технического результата.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о способах того же назначения с указанной совокупностью признаков. Ниже изобретение описано более детально.

Сущность способа заключается в следующем.

Источник радиоизлучения находится на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном. Радиосигнал принимают системой, состоящей из N≥4 упорядоченно пронумерованных n-тых наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн.

На объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами ƒ_i=iΔƒ и ƒ_j=jΔƒ, где Δƒ - заданная частота. Индекс i является заданным целым положительным числом, индекс j=i+k, при этом целое положительное число k задано так, чтобы i и j были взаимно простыми числами.

Радиосигнал синхронизированно принимают на каждой наземной n-той станции и передают его по соответствующим n-тым линиям связи (электрическим, оптическим и др.) в единый центр приема и обработки радиосигналов, в котором известны все упомянутые числа и частоты. В нем, используя единую опорную частоту генератора, осуществляют прием каждого n-того из принятых по линиям связи N радиосигналов и преобразуют каждый n-тый аналоговый радиосигнал, состоящий из двух упомянутых составляющих с частотами ƒ_i и ƒ_j, в соответствующий ему цифровой сигнал, содержащий две цифровые составляющие Q_ni и Q_nj, соответственно. Для каждой из этих составляющих каждого n-того радиосигнала любым из известных алгоритмов (например, с использованием дискретного преобразования Гильберта [Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, п. 2.26, 1978]) формируют квадратурные им цифровые компоненты I_ni и I_nj, соответственно.

По полученным таким образом цифровым сигналам (ЦС) для различных двух n-тых ЦС формируют КЦК, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_i и соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ_j. Формирование последних КЦК производят используя простые тригонометрические преобразования.

По сформированным таким образом КЦК однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций. При этом должны быть соблюдены следующие условия: расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину известной в упомянутом едином центре разности временных задержек радиосигналов, соответствующих этой паре радиосигналов, возникающих при приеме, передаче по линиям связи и обработке, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ (с учетом указанных разностей временных задержек радиосигналов). Далее по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Способ позволяет исключить влияние случайных начальных фаз излучаемых гармонических колебаний.

Представление квадратурных компонент в цифровом виде дает определенное преимущество при решении задачи за счет простоты ее программной реализации. Цифровую обработку принятых сигналов можно реализовать как в спектральной (применение преобразования Фурье), так и временной области (применении цифровых фильтров). Кроме того, формирование последних указанных КЦК производят используя простые тригонометрические преобразования, что также упрощает решение задачи.

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например из защищенных патентами RU (№2530231, 2530239, 2530240), или из защищенных международными заявками в системе PCT (WO/2015/012737, WO/2015/012733, WO/2015/012734), или опубликованными в статьях автора (Алгоритм определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него // Нелинейный мир. 2015. №5. С. 38-41; Итерационный алгоритм определения пространственных координат объекта // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. №7. С. 64-69).

Способ может найти применение для построения универсальной навигационно-посадочной системы.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта без привлечения дополнительной информации,

- требуется синхронизация совокупности принимающих станций, а на объекте, передающем радиосигналы, используется своя система отсчета времени,

- сигналы, заданные в аналитическом виде, проще формировать и преобразовывать, благодаря, в том числе, этому повышается точность измерений,

- позволяет съэкономить частотный ресурс (по сравнению со способами формирования радиосигнала в виде более двух гармонических колебаний),

- обеспечивает возможность производить измерения с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет однозначно определять координаты с большой точностью и более просто по сравнению с известными способами, обеспечивает неограниченную пропускную способность реализующей его системы.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает появление новых свойств, не достигаемых в аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию «новизны».

Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Таким образом, заявленное изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а также критерию «промышленная применимость».

Реферат

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) объекта - источника радиоизлучения (ИР), находящегося на стационарном или подвижном объекте. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК ИР без привлечения дополнительной информации. Указанный результат достигается за счет того, что на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде двух гармонических колебаний с заданными частотами ƒи ƒ. При приеме и обработке радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На каждой n-той станции синхронизированно принимают передаваемый с объекта радиосигнал. Принятые сигналы передают по соответствующим линиям связи (электрическим, оптическим и др.) в единый центр. В нем осуществляют прием каждого из принятых по линиям связи аналоговых радиосигналов и его преобразование в соответствующий ему цифровой сигнал, содержащий две цифровые составляющие. Для них формируют квадратурные им цифровые компоненты (КЦК). По полученным таким образом цифровым сигналам (ЦС) для различных двух n-тых ЦС формируют КЦК, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒи соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами ƒ. По сформированным таким образом КЦК и при выполнении заданных в способе условий однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Формула

Способ определения координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, при котором радиосигналы принимают системой, состоящей из N≥4 упорядоченно пронумерованных n-тых наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами

и

, где

- заданная частота, индекс i является заданным целым положительным числом, индекс j=i+k, при этом целое положительное число k задано так, чтобы i и j были взаимно простыми числами, упомянутый радиосигнал синхронизировано принимают на каждой наземной n-той станции и передают его по соответствующим n-тым линиям связи в единый центр приема и обработки радиосигналов, в котором известны все упомянутые числа и частоты, в нем, используя единую опорную частоту генератора, осуществляют прием каждого n-того из принятых по линиям связи N радиосигналов, преобразуют каждый n-тый аналоговый радиосигнал, состоящий из двух упомянутых составляющих с частотами

и

, в соответствующий ему цифровой, содержащий две цифровые составляющие Q_ni Q_nj, соответственно, для каждой из них каждого n-того радиосигнала любым из известных алгоритмов формируют квадратурные им цифровые компоненты I_ni и I_nj, соответственно, по полученным таким образом цифровым сигналам для различных двух n-тых цифровых сигналов формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами

и соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми частотами

, и по сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам при условии, что расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину известной в упомянутом едином центре разности временных задержек радиосигналов, соответствующих этой паре радиосигналов, возникающих при приеме, передаче по линиям связи и обработке, не должны превышать периода Т, равного

, с учетом указанных разностей временных задержек радиосигналов однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.