Способ определения координат объекта - RU2647496C1

Описание

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в локальных зонах навигации. Радиосигналы в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами передают стационарные наземные станции с заданными координатами фазовых центров антенн. Их принимают на объекте и определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, экономить частотный ресурс при обеспечении точности и однозначности 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, 2588057, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630 A1. 2016/0330584 А1, 2016/0337933 А1, 2017/0176568, WO/2017/097905, WO/2017/098534; 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, п.п. 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 объекта по патенту RU №2617448.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является экономия частотного ресурса при обеспечении однозначного определения пространственных координат объекта без привлечения дополнительной информации. Это достигается тем, что системой n-х наземных станций передают радиосигналы в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами

и . Радиосигналы синхронизированно формируют заданным образом в едином центре в системе отсчета времени, связанной с ним, и передают по линиям связи на каждую станцию. При формировании и передаче радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На объекте осуществляют прием совокупности аналоговых радиосигналов и преобразуют ее в соответствующую ей цифровую совокупность, каждый цифровой сигнал которой содержит две цифровых составляющих и . Для каждой из этих составляющих формируют квадратурные им цифровые компоненты и . По парам цифровых компонент и определяют в системе отсчета времени, связанной с объектом, моменты времен приема различных n-х радиосигналов и разности моментов времен приема различных двух n-х радиосигналов. По этим разностям и известным на объекте координатам фазовых центров антенн станций однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных 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 объекта, в том числе подвижного, с каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N≥4 упорядоченно пронумерованных n-х станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают радиосигналы в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами

и где Δƒ - заданная частота, индексы i_n являются заданными целыми положительными числами, индексы j_n=i_n+k, причем целое положительное число k задано так, чтобы i_n и j_n были взаимно простыми числами, при этом упомянутые радиосигналы для каждой n-й станции синхронизированно формируют в едином центре в системе отсчета времени, связанной с ним, используя единую опорную частоту, с одинаковыми для каждого n временными задержками для двух гармонических колебаний, соответствующих индексам i_n и j_n, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующей посылки радиосигналов на объект, причем упомянутые n-е радиосигналы формируют и передают, обеспечивая условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности временных задержек, возникающих при их формировании и передаче по линиям связи, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ, а на объекте осуществляют прием совокупности N n-х аналоговых радиосигналов, преобразуют ее в соответствующую ей цифровую совокупность, каждый n-й цифровой сигнал которой содержит две цифровых составляющих и , соответственно, для каждой из них любым из известных алгоритмов формируют квадратурные им цифровые компоненты и , соответственно, и по парам цифровых компонент и при известных на объекте числах i_n, j_n и частоте Δƒ определяют в системе отсчета времени, связанной с объектом, моменты времен приема различных n-х радиосигналов, определяют, с учетом указанных известных временных задержек, разности моментов времен приема различных двух n-х радиосигналов и по этим разностям и известным на объекте координатам фазовых центров антенн станций 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.

С каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N≥4 упорядоченно пронумерованных n-х станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают радиосигналы в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотами

и где Δƒ - заданная частота. Индексы i_n являются заданными целыми положительными числами, индексы j_n=i_n+k, причем целое положительное число k задано так, чтобы i_n и j_n были взаимно простыми числами.

Упомянутые радиосигналы для каждой n-й станции синхронизирование формируют в едином центре в системе отсчета времени, связанной с ним, используя единую опорную частоту, с одинаковыми для каждого n временными задержками для двух гармонических колебаний, соответствующих индексам i_n и j_n. Сформированные в едином центре радиосигналы передают по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующей посылки радиосигналов на объект. При этом упомянутые n-е радиосигналы формируют и передают, обеспечивая выполнение следующих условий: расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности временных задержек, возникающих при их формировании и передаче по линиям связи, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ. Для каждого n-го радиосигнала на максимальном масштабе, соответствующем упомянутому периоду T гармонических колебаний, укладывается целое число длин волн, соответствующих двум указанным видам колебаний. При этом, если их числа отличаются на единицу, упрощается однозначное определение положения сигнала внутри указанного масштаба.

Формирование упомянутого радиосигнала каждой станции не представляет сложности как с применением аналоговой, так и с применением цифровой схемотехники.

На объекте осуществляют прием совокупности N n-х аналоговых радиосигналов и преобразуют ее в соответствующую ей цифровую совокупность. Каждый n-й цифровой сигнал цифровой совокупности содержит две цифровых составляющих

и . Для каждой из этих составляющих любым из известных алгоритмов (например, с использованием дискретного преобразования Гильберта [Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., изд-во «Мир», п. 2.26, 1978]) формируют квадратурные им цифровые компоненты и , соответственно. По парам цифровых компонент и при известных на объекте числах i_n, j_n и частоте Δƒ определяют в системе отсчета времени, связанной с объектом, моменты времен приема различных n-х радиосигналов. Затем определяют, с учетом упомянутых известных временных задержек, разности моментов времен приема различных двух n-х радиосигналов. По этим разностям и известным на объекте координатам фазовых центров антенн станций, однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

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).

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, из защищенных патентами RU (№№2530232, 2530241, 2542659) или из защищенных международными заявками в системе PCT (WO/2015/012738, WO/2015/012735, WO/2015/012736) 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:

- экономия частотного ресурса при обеспечении точности и однозначности определения пространственных координат объекта без привлечения дополнительной информации,

- требуется синхронизация только совокупности передающих станций, а на объекте, принимающем радиосигналы, используется своя система отсчета времени,

- 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.

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 быть использовано для определения пространственных координат (ПК) объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в локальных зонах навигации. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК без привлечения дополнительной информации. Указанный результат достигается за счет того, что системой n-х наземных станций передают радиосигналы в виде двух гармонических колебаний с соответственно заданными частотамии. Радиосигналы синхронизированно формируют заданным образом в едином центре в системе отсчета времени, связанной с ним, и передают по линиям связи на каждую станцию. При формировании и передаче радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На объекте осуществляют прием совокупности аналоговых радиосигналов и преобразуют ее в соответствующую ей цифровую совокупность, каждый цифровой сигнал которой содержит две цифровые составляющиеи. Для каждой из этих составляющих формируют квадратурные им цифровые компонентыи. По парам цифровых компонентиопределяют в системе отсчета времени, связанной с объектом, моменты времен приема различных n-х радиосигналов и разности моментов времен приема различных двух n-х радиосигналов. По этим разностям и известным на объекте координатам фазовых центров антенн станций однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Формула