Способ определения координат объекта - RU2624461C1

Описание

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в зонах навигации. Радиосигналы передают станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, их принимают на объекте и определяют координаты фазового центра его антенны. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и достоверность 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, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2558640, 2559813, 2561721; Основы испытаний летательных аппаратов / Е.И. Кринецкий и др. Под ред. Е.И. Кринецкого. - М.: Машиностроение, 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 общей синхронизации передающих и принимающих радиосигналы радиотехнических объектов, недостаточное быстродействие, недостаточную точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объектов по патенту автора RU №2578750.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение точности и достоверности их измерения при отсутствии требования взаимной временной синхронизации между станциями и объектом. Это достигается тем, что станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, располагаемые заданным образом в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координат, синхронизированно передают радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой, а на объекте осуществляют их прием в системе отсчета времени, связанной с объектом, регистрируют моменты времени приема, определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций и корректируют их с учетом временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов определяют относительные дальности и по приведенным далее выражениям определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта. По заданным пространственным координатам ФЦА станций и указанным дальностям определяют пространственные координаты ФЦА объекта в указанной системе координат.

Пространственные координаты ФЦА объекта определяют по полученным дальностям, например, одним из известных дальномерных методов (можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами автора RU №№2484604, 2484605, или опубликованный в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]).

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат объекта, в том числе подвижного, с каждой j-й станции, где индекс j принимает значения от 1 до N, передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, содержащей совокупность N≥4 станций с заданными в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координатами ФЦА, расположенных таким образом, что совокупность станций включает три последовательно упорядоченно расположенные станции с индексами j, равными 1, 2 и 3 соответственно, координаты ФЦА которых заданы так, что фазовые центры их антенн находятся на одной прямой на заданном расстоянии r₁₂ между станциями с индексами 1 и 2 и заданном расстоянии r₂₃ между станциями с индексами 2 и 3, при этом ФЦА, по крайней мере, одной из других станций совокупности не лежит на этой прямой, синхронизированно передают радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой, а на объекте осуществляют их прием в системе отсчета времени, связанной с объектом, регистрируют моменты времени приема и определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от j-х станций, корректируют их с учетом указанных временных сдвигов, по скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов Δt_j определяют относительные дальности от указанных ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением Δ_j=cΔt_j, где с - скорость распространения радиосигналов, и определяют дальности D_j от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением

где

а координаты ФЦА объекта определяют по полученным дальностям D_j в указанной трехмерной Декартовой системе координат, например, одним из известных дальномерных методов, причем для совокупности N=4 станций обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта посредством расположения ФЦА станции с номером j=4 вне прямой, проходящей через ФЦА станций с номерами j=1, 2, 3, и привлечения дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта относительно плоскости, в которой находятся ФЦА четырех станций, а для совокупности N≥5 станций обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта, располагая ФЦА, по крайней мере, одной из станций с номером j≥5 вне плоскости, в которой находятся ФЦА четырех станций с номерами j=1, 2, 3, 4.

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.

С каждой j-й станции, где индекс j принимает значения от 1 до N, передающей системы, содержащей совокупность N≥4 станций с заданными в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координатами ФЦА, синхронизированно передают радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой. Эти временные сдвиги передачи радиосигналов либо заранее известны на объекте, либо передаются на него по каналам связи при необходимости. Передающая система может быть как стационарной наземной, так и располагаться на корабле, автомобиле и т.п. и перемещаться с ними как единое целое. ФЦА станций расположены таким образом, что совокупность станций включает три последовательно упорядоченно расположенные станции с индексами j, равными 1, 2 и 3 соответственно, координаты ФЦА которых заданы так, что фазовые центры их антенн находятся на одной прямой на заданном расстоянии r₁₂ между станциями с индексами 1 и 2 и заданном расстоянии r₂₃ между станциями с индексами 2 и 3. При этом ФЦА, по крайней мере, одной из других станций совокупности не лежит на этой прямой. На объекте осуществляют прием радиосигналов в системе отсчета времени, связанной с объектом, и регистрируют моменты времени приема. Определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от j-х станций и корректируют их с учетом указанных временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов Δt_j определяют относительные дальности от указанных ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением Δ_j=cΔt_j, где с - скорость распространения радиосигналов. Затем определяют дальности D_j от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением (1).

По полученным дальностям D_j в указанной трехмерной Декартовой системе координат определяют пространственные координаты ФЦА объекта, например, одним из известных дальномерных методов (в качестве такого метода можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами автора RU №№2484604, 2484605, или из упомянутой статьи автора).

Для совокупности N=4 станций обеспечивают однозначное определение пространственных координат ФЦА объекта посредством расположения ФЦА станции с номером j=4 вне прямой, проходящей через ФЦА станций с номерами j=1, 2, 3, и привлечения дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта относительно плоскости, в которой находятся ФЦА четырех станций. Для совокупности N≥5 станций обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта, располагая ФЦА, по крайней мере, одной из станций с номером j≥5 вне плоскости, в которой находятся ФЦА четырех станций с номерами j=1, 2, 3, 4.

Покажем на простом примере использование предложенного способа для определения координат ФЦА объекта при количестве станций передающей системы N=5. В этом случае координаты объекта определяются однозначно, т.е. не требуется привлечение дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта относительно плоскости, в которой находятся ФЦА четырех станций с номерами j=1, 2, 3, 4.

Пусть заданы следующие координаты ФЦА пяти станций в трехмерной Декартовой системе координат, связанной с передающей системой:

(x₁,a,b), (x₂, a,b), (x₃, a,b), (x₄,y₄,b), (x₅,y₅,z₅)

при условиях x₁<х₂<х₃, у₄≠a, z₅≠b.

Тогда координаты ФЦА объекта (x_0,y₀,z₀), например, могут быть представлены в той же системе координат в виде

где D_j - дальности, определяемые в соответствии с предлагаемым способом по формуле (1) при значениях индекса j=1, 2, 3, 4, 5.

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

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦА объекта с высокой точностью;

- не требуется общая синхронизация передающих радиосигналы станций и принимающих их объектов, осуществляют синхронизацию только совокупности передающих станций, а принимающие радиосигналы объекты используют свои системы отсчета времени;

- реализация способа проще и дешевле, чем известных аналогов;

- позволяет осуществлять одновременные измерения на большом количестве объектов.

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.

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 стационарного или подвижного принимающего радиосигналы объекта. Технический результат - повышение точности и достоверности определения пространственных координат объектов. Указанный результат достигается за счет того, что станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, располагаемые заданным образом в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координат, синхронизировано передают радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой, а на объекте осуществляют их прием в системе отсчета времени, связанной с объектом, регистрируют моменты времен приема, определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций и корректируют их с учетом временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов определяют относительные дальности и по приведенным в формуле изобретения выражениям определяют дальности от фазовых центров антенн (ФЦА) станций до ФЦА объекта. По заданным пространственным координатам ФЦА станций и указанным дальностям определяют пространственные координаты ФЦА объекта в указанной системе координат.

Формула