Способ определения координат объекта - RU2617448C1

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 стационарные наземные станции с заданными координатами фазовых центров антенн, их принимают на объекте и определяют фазовый центр 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.: 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, недостаточное быстродействие, недостаточную точность.

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

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение точности и достоверности их измерения. Это достигается тем, что радиосигналы передают в виде гармонических колебаний, модулированных функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, с заданными частотами первой и последующих функций и начальными временными сдвигами посылки радиосигналов станциями. На объекте осуществляют квадратурный прием с заданной частотой гетеродина, определяют относительные времена задержек приема радиосигналов от станций в системе отсчета времени, связанной с объектом, корректируют их и по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям от них до объекта, полученным по скорректированным временам задержек приема радиосигналов, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат объекта, в том числе подвижного, с каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают радиосигналы в виде гармонических колебаний с заданными и разнесенными между станциями частотами, равными для каждой станции ƒ₀+m_nƒ₁, где m_n - заданные целые числа, а индекс n здесь и далее соответствует n-й станции и изменяется от 1 до N, модулированных функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, при этом частота первой из указанных функций равна ƒ₁, а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты ƒ₁, где индекс s соответствует номеру указанной s-й функции, и все указанные функции имеют одинаковые известные начальные временные сдвиги Δt_n в системе отсчета времени, связанной с передающей системой, не превышающие значений, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-й и j-й, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов Δt_i и Δt_j, не превышают интервала времени Т, равного

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 станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают радиосигналы в виде гармонических колебаний с заданными и разнесенными между станциями частотами, равными для каждой станции ƒ₀+m_nƒ₁, где m_n - заданные целые числа, а индекс n соответствует n-й станции и изменяется от 1 до N. Гармонические колебания модулированы функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций. Каждая из этих двух функций может быть синусоидальной либо косинусоидальной. Частота первой из указанных функций равна ƒ₁, а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты, где индекс s соответствует номеру указанной s-й функции. Все указанные функции имеют одинаковые известные начальные временные сдвиги Δt_n в системе отсчета времени, связанной с передающей системой. При этом Δt_n не превышают значений, при которых расстояния d_ij между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-й и j-й, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов Δt_i и Δt_j, не превышают интервала времени Т, равного

На объекте осуществляют квадратурный прием с заданной частотой гетеродина, равной ƒ₀+lƒ₁, где l - заданное целое число, совокупности приходящих со станций радиосигналов, при котором образуются соответствующие каждой станции группы из колебаний с разностными частотами.

В качестве примера, иллюстрирующего реализацию способа, рассмотрим случай, когда моделирующая функция представлена в виде произведения двух функций (s=2). Тогда при квадратурном приеме образуются соответствующие каждой станции группы из четырех колебаний с разностными частотами. Для удобства изложения назовем эти колебания базовыми.

При этом для каждой группы колебания, получающиеся на разностных частотах любых двух из четырех базовых колебаний (назовем их вторичными), имеют частоты, кратные частоте ƒ₁, и не содержат случайные начальные фазы гармонического колебания с частотой ƒ₀ и случайные фазы колебаний гетеродина.

В этом примере (при обеспечении выполнения упомянутых условий, связывающих начальные временные сдвиги Δt_n, расстояния между фазовыми центрами антенн станций и интервал времени Т) параметры радиосигналов заданы таким образом, что в каждой группе для каждого колебания этой группы, названного вторичным, количества укладывающихся периодов колебаний на интервале времени Т являются целыми числами, такими как 1, k₂-1, k₂ и k₂+1.

Нетрудно видеть, что в общем случае (при s>2) при квадратурном приеме образуются соответствующие каждой станции группы из большего числа базовых и, соответственно, вторичных колебаний. При этом для каждого вторичного колебания количества укладывающихся периодов колебаний на интервале времени Т являются также целыми числами.

Все это дает возможность для каждой группы, по крайней мере, по любым двум из вторичных колебаний, у которых упомянутые количества периодов являются взаимно простыми числами, однозначно определить времена задержки радиосигналов на интервале времени T, а значит, и относительные времена задержек принятых от станций радиосигналов в системе отсчета времени, связанной с объектом.

Эти относительные времена задержек приема радиосигналов корректируют с учетом начальных временных сдвигов Δt_n радиосигналов и необходимых поправок, например, связанных с эффектом Доплера. По скорректированным относительным временам задержек приема радиосигналов определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн. Пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства, определяют однозначно по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям до него от указанных фазовых центров антенн станций.

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать, например, подходящий метод из защищенных патентами RU (№№2484604, 2530231, 2530232, 2530239, 2530240, 2530241, 2542659) или из международных заявок в системе РСТ (WO/2015/012733, WO/2015/012734, WO/2015/012735, WO/2015/012736, WO/2015/012737, WO/2015/012738).

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

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью,

- требуется синхронизация только совокупности передающих станций, а объект, принимающий радиосигналы, использует свою систему отсчета времени,

- в случае использования всеми станциями радиосигналов с одинаковыми частотами и одного общего генератора опорной частоты система синхронизации существенно упрощается,

- сигналы, заданные в аналитическом виде, относительно просто формировать, смещать и пр., благодаря, в том числе, этому повышается точность измерений,

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

- реализация способа проще и дешевле, чем у 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 технике связи и может использоваться для определения пространственных координат стационарного или подвижного принимающего радиосигналы объекта. Достигаемый технический результат - повышение точности и достоверности измерения пространственных координат функционально связанных объектов. Указанный результат достигается за счет того, что радиосигналы, передаваемые наземными станциями с заданными координатами фазовых центров их антенн, формируют в виде гармонических колебаний с заданной для каждой станции частотой, модулированных функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной или косинусоидальной, с заданными частотами первой и последующих функций. На объекте осуществляют квадратурный прием с заданной частотой гетеродина, определяют относительные времена задержек приема радиосигналов от станций в системе отсчета времени, связанной с объектом, и по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям от них до объекта, полученным по скорректированным относительным временам задержек приема радиосигналов, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.

Формула

Способ определения координат объекта, в том числе подвижного, при котором с каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают радиосигналы в виде гармонических колебаний с заданными и разнесенными между станциями частотами, равными для каждой станции

, где m_n - заданные целые числа, а индекс n здесь и далее соответствует n-й станции и изменяется от 1 до N, модулированных функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, при этом частота первой из указанных функций равна

, а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты

, где индекс s соответствует номеру указанной s-й функции, и все указанные функции имеют одинаковые известные начальные временные сдвиги Δt_n в системе отсчета времени, связанной с передающей системой, не превышающие значений, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-й и j-й, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов Δt_i и Δt_j, не превышают интервала времени Т, равного

, причем на объекте известны упомянутые начальные временные сдвиги Δt_n, частоты

, числа m_n и k_s, а на объекте осуществляют квадратурный прием с заданной частотой гетеродина, равной

, где l - заданное целое число, совокупности приходящих со станций радиосигналов и по образующимся при этом соответствующим каждой станции группам колебаний с разностными частотами определяют относительные времена задержек приема радиосигналов от станций в системе отсчета времени, связанной с объектом, корректируют их с учетом упомянутых начальных временных сдвигов Δt_n радиосигналов и необходимых поправок и по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям до него от указанных фазовых центров антенн станций, получаемым по упомянутым скорректированным относительным временам задержек приема радиосигналов, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.