СПОСОБ РАДИОНАВИГАЦИИ И РЕГИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01S5/02 

Изобретение относится к техническим средствам оперативного определения местоположения транспортных средств и других подвижных объектов путем сопоставления в одной системе координат найденных расстояний до нескольких разнесенных в пространстве радиоизлучающих устройств-маяков с известными координатами и может быть использовано для обеспечения региональной радионавигации.

Известен способ определения местоположения /Корнеев Б.Ю. (пер.) Глобальная система позиционирования (GPS), Москва, АО "Принт", 1994, 76 с./, заключающийся в том, что с помощью излучателей 24 высокоорбитальных спутников создают глобальное радионавигационное поле, с каждого спутника излучают на одной и той же рабочей частоте синхронизованное радиоизлучение, которое кодируют индивидуальными кодами, присущими каждому спутнику. В любой точке Земли в поле зрения пользователя находится не менее семи спутников. В месте приема принимают наиболее интенсивные излучения от четырех спутников, по кодам излучения идентифицируют спутники, по известным текущим координатам спутников определяют собственное местоположение. Система глобальной радионавигации GPS включает сеть из 24 высокоорбитальных спутников, равномерно распределенных в околоземном космическом пространстве. Бортовая аппаратура каждого спутника содержит высокостабильный УКВ-генератор, кодер, модулятор, усилитель мощности, ненаправленный излучатель, блок управления, телеметрии и связи. Аппаратура пользователя включает ненаправленную приемную антенну, радиоприемное устройство, декодер, блок идентификации спутников, таймер-синхронизатор, вычислитель координат.

Недостатком при использовании способа и системы GPS является зависимость потребителей от Министерства обороны США, которому принадлежит система GPS и которое может прекратить обслуживание гражданских и иностранных потребителей по своему усмотрению или ввести такие изменения в передачи кодов, когда точное местоопределение станет невозможным. Страна, полностью положившаяся в своих навигационных потребностях на GPS и закупившая необходимо количество приборов пользователя, попадает под вероятность зависимости, политического шантажа и диктата США.

Известен способ радионавигации /Патент Японии N 60-63074, кл. G 01 S 5/10, 1991/, заключающийся в том, что единое радионавигационное поле создают суперпозицией синхронизованных излучений от региональной сети станций, из которых одна является ведущей. На ведущей станции принимают опорные тактовые сигналы, постоянно излучаемые источником, находящимся вне сферы действия сети, с помощью опорных тактовых сигналов формируют внутренние тактовые сигналы, которые последовательно задерживают на время, включающее время излучения сигнала ведомыми станциями сети. В месте приема, координаты которого необходимо определить, принимают суммарное излучение всей сети станций, по временной последовательности относительно опорного тактового сигнала идентифицируют каждую станцию, по измеренным временным и фазовым задержкам прихода сигналов от каждой станции определяют расстояния до четырех из них с наибольшими уровнями сигналов и по известным координатам каждой станции вычисляют собственные координаты.

Радионавигационная система, осуществляющая известный способ /Патент Японии N 60-63074, кл. G 01 S 5/10, 1991), включает распределенную сеть радиоизлучаемых наземных станций, одна из которых является ведущей. Аппаратурный комплекс ведущей станции включает приемник опорных тактовых сигналов - сигналов точного времени, постоянно излучаемых источником, находящимся вне сферы действия сети, формирователь внутренних тактовых сигналов, высокостабильный задающий генератор, модулятор, усилитель мощности, всенаправленную излучающую антенну. Аппаратурный комплекс остальных ведомых станций включает приемник управляющих тактовых сигналов от ведущей станции, блок задержки тактовых сигналов, высокостабильный задающий генератор, модулятор, усилитель мощности, ненаправленную излучающую антенну. Устройство пользователя включает радиоприемное устройство, фазометр, регистр координат радиоизлучающих станций, вычислитель координат, устройство отображения информации.

Недостатками известных способов радионавигации и радионавигационной системы являются низкая помехозащищенность, использование больших мощностей излучения для создания регионального радионавигационного поля и связанный с этим высокий уровень помехи в радиоэфире. Кроме того, радионавигационная система OMEGA, работавшая в СДВ-диапазоне и осуществлявшая известный способ, прекратила свое функционирование с 01.10.97 /Никитин А.А., Худяков Г.И. Современное состояние радионавигационной системы "дифференциальная Омега", Зарубежная радиоэлектроника, М., "Радио и связь", 83, 1982, с.54-68/.

Известен способ радионавигации, реализованный в региональной радионавигационной системе "Лоран-С" /Европейский патент N 0315377, кл. G 01 S 1/24, 1989/, заключающийся в том, что региональное радионавигационное поле, покрывающее все пространство региона, создают с помощью сети n радиоизлучающих станций. Излучение каждой из n станций кодируют индивидуальными кодами, что позволяет в месте приема идентифицировать каждую станцию. Несущие частоты, моменты времени и периодичность посылок кодированных излучений синхронизируют идентичными высокостабильными стандартами частоты на каждой излучающей станции. В месте приема принимают ненаправленные кодированные излучения от всех станций, по кодам идентифицируют станции, измеряют временные изменения параметра (фазы) каждого излучения, по временным сдвигам моментов совпадения параметров (разности фаз) определяют время распространения сигналов от четырех станций с наибольшими уровнями сигнала, вычисляют расстояния от этих станций до места приема и по известным координатам станций вычисляют координаты места приема.

Известна региональная радионавигационная система "Лоран-С" /Европейский патент N 0315377, кл. G 01 S 1/24, 1989/, состоящая из распределенной по региону сети n наземных радиоизлучающих станций, в состав каждой из них входят последовательно соединенные стандарт частоты (стабильность 10^-12), кодер, импульсный фазовый модулятор, усилитель мощности, ненаправленная излучающая антенна. В состав станции входит также синхронизующий работу блоков станции генератор тактовых импульсов. Система включает множество приборов пользователя, устанавливаемых на транспортных средствах и прочих передвижных объектах, состоящих из последовательно соединенных приемной антенны, радиоприемного устройства, декодера, фазометра, измерителя временных задержек прихода сигналов, вычислителя координат и индикатора местоположения. Кроме того, в состав прибора входят постоянное запоминающее устройство - регистр координат радиоизлучающих станций, 3n выходов которого соединены со вторыми входами вычислителя координат, а также таймер-синхронизатор, соединенный с синхровходами всех остальных блоков прибора.

Недостатками известной радионавигационной системы являются низкая помехозащищенность, необходимость использования больших мощностей излучения для создания регионального радионавигационного поля и связанный с этим высокий уровень помехи в радиоэфире. К 2000 году длинноволновая система Лоран-С также прекратит работу /Френк Р.Л. Современные разработки по системе LORAN-C. ТИИЭР, 1983, т. 71, N 10, с. 8-22/.

Известен способ радионавигации, наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности /Предпатент РК N 5615, кл. G 01 S 5/02, 1997/, заключающийся в том, что региональное радионавигационное поле создают синхронизованным радиоизлучением сети n радиоизлучающих станций, излучение каждой станции кодируют индивидуальным кодом, что позволяет в месте приема идентифицировать каждую станцию, несущие частоты, моменты времени и периодичность посылок - циклов кодированных сигналов синхронизуют высокостабильным стандартом частоты. В месте приема принимают ненаправленные кодированные излучения от всех станций, по кодам, хранящимся в памяти вычислителей приемно-измерительных устройств, идентифицируют станции, принятые n кодированных сигналов накапливают в течение m циклов посылок сигналов от каждой станции, увеличивая отношение сигнал/помеха в m² раз, предотвращая сбои в работе, измеряют функции взаимной корреляции между огибающими накопленных сигналов и хранящимися в памяти эталонами кодов, измеряют моменты времени максимальной корреляции и временные задержки прихода каждого n-го сигнала, определяют времена распространения сигналов от четырех станций с наибольшими уровнями сигналов, вычисляют расстояния до этих станций и по известным координатам станций вычисляют координаты места приема.

Известна региональная система радионавигации, наиболее близкая к предлагаемой по технической сущности /Предпатент РК N 5817, кл. G 01 S 5/02, 1997/, состоящая из n наземных радиопередающих станций, излучение которых синхронизовано стандартом частоты стабильностью 10^-12, каждая станция содержит блок несущей частоты, кодер, модулятор, усилитель мощности, ненаправленную излучающую антенну и блок тактовых синхронизующих импульсов, выход которого соединен со всеми синхровходами блоков станции. В систему входят также приборы пользователя, устанавливаемые в месте приема, требующем определения координат, включающие последовательно соединенные приемную антенну, радиоприемное устройство (РПУ), декодер, измеритель временных задержек прихода сигналов, вычислитель координат и индикатор местоположения. В состав приборов пользователей входят также регистр координат радиоизлучающих станций, 3n выходов которого соединены со вторыми входами вычислителя, и таймер-синхронизатор, соединенный с синхровходами всех остальных блоков. При этом в n-1 радиоизлучающих ведомых станциях вместо стандарта частоты использованы блоки несущей частоты, каждый из которых содержит радиоприемное устройство сигналов ведущей станции и формирователь несущей частоты, блок тактовых синхронизующих импульсов представляет собой формирователь тактовых импульсов из сигналов ведущей станции, а декодер прибора пользователя включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), накопитель сигналов, устройство сравнения - коррелятор, регистр временных констант - времен распространения радиосигналов между каждой парой станции. Выход РПУ соединен с входом АЦП, выход которого соединен со входом накопителя, n выходов накопителя соединены с n первыми входами коррелятора, вторые n входов которого соединены с регистром эталонов кодов станций, n выходов коррелятора соединены с первыми входами измерителя временных задержек, вторые входы которого соединены с n выходами регистра временных констант.

Недостатком известных способа и системы радионавигации является то, что для удовлетворения основного требования их функционирования - синхронности и временной стабильности работы всех генераторов таковых синхронизующих импульсов необходимо установления высокостабильного (10^-12) стандарта частоты, весьма дорогостоящего прибора, на ведущей излучающей станции и периодической коррекции с помощью транспортируемого эталона, а также незащищенность системы синхронизации от посторонних узкополосных помех.

Задача изобретения - разработать способ и длинноволновую систему радионавигации, исключающие сбои синхронизации, необходимость высокостабильных стандартов частоты и периодической коррекции тактовых синхроимпульсов.

Технический результат, получаемый в результате осуществления изобретения, - упрощение обслуживания системы, удешевление комплекса технических средств системы радионавигации и сокращение эксплуатационных расходов, а также повышение помехозащищенности системы.

Требуемый технический результат достигается тем, что так же, как в известном способе радионавигации, в предлагаемом способе региональное радионавигационное поле создают синхронизованным импульсным радиоизлучением сети n радиоизлучающих станций, излучение каждой станции кодируют для идентификации ее в месте приема, синхронизуют очередность момента времени и периодичность посылок импульсов радиоизлучения, в месте приема координаты которого необходимо определить, принимают кодированные излучения от всех станций, по кодам идентифицируют станции, принятые сигналы накапливают в течение m циклов посылок сигналов от каждой станции, увеличивая отношение сигнал/помеха в m раз, предотвращая сбои в работе, измеряют временные задержки прихода каждого n-го импульсного сигнала, определяют времена распространения сигналов от четырех станций с наибольшими уровнями сигналов, вычисляют расстояния до этих станций и по известным координатам станций вычисляют координаты места приема.

Однако, в отличие от известного способа, в предлагаемом способе радионавигации региональное радионавигационное поле создают синхронизованным излучением линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов, на каждой станции принимают эти ЛЧМ-сигналы, измеряют временные задержки каждой частоты принятых от остальных станций ЛЧМ-сигналов относительно ЛЧМ-эталона, хранящегося на каждой станции и используемого для модуляции собственного излучения, с учетом измеренных временных задержек и известных времен распространения сигнала от остальных n-1 станций корректируют синхронизацию каждой станции.

Требуемый технический результат достигается тем, что так же, как известная региональная система радионавигации, предлагаемая система включает n наземных синхронизованных радиоизлучающих станций, каждая станция содержит задающий генератор, кодер, блок тактовых синхронизующих импульсов, модулятор, усилитель мощности, излучающую антенну, приемную антенну и РПУ сигналов излучающих станций, а также множество приборов пользователя, включающих приемную антенну, радиоприемное устройство, демодулятор, декодер, измеритель временных задержек приходов сигналов, регистр координат радиоизлучающих станций, таймер-синхронизатор, вычислитель координат и индикатор местоположения, при этом декодер включает накопитель сигналов, устройство сравнения, регистр эталонов кода, регистр временных констант (РВК) - времен распространения радиосигналов между каждой парой станций.

Однако, в отличие от известной системы, в предлагаемой региональной системе радионавигации в каждой станции модулятор выполнен как ЛЧМ-модулятор, а в состав станции дополнительно введены регистр ЛЧМ-эталона, регистр временных констант, устройство сравнения ЛЧМ-сигнала и ЛЧМ-эталона, измеритель временных задержек и формирователь сигнала коррекции синхронизации, а в приборе пользователя демодулятор выполнен как ЛЧМ-демодулятор.

Требуемый технический результат достигается тем, что предложенный прием коррекции синхронизации работы каждой станции, при последовательном их излучении, использующий для формирования сигнала коррекции временные задержки прихода ЛЧМ-сигналов от всех остальных станций, обеспечивает жесткую временную привязку работы станций относительно друг друга - основное необходимое условие точного определения местоположения.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена схема размещения излучающих станций, на фиг. 2 - функциональная схема излучающей станции, на фиг. 3 - функциональная схема прибора пользователя.

Каждая радиоизлучающая станция из n станций сети радионавигационной системы включает задающий генератор (ЗГ) 1, кодер (К) 2, вырабатывающий очередность, момент и интервал излучения сигнала каждой станцией, линейно-частотный модулятор (ЛЧМ) 3, усилитель мощности (УМ) 4, блок тактовых синхроимпульсов (БТСМ) 5, радиоизлучающую антенну, радиоприемную антенну, радиоприемное устройство (РПУ) 6, устройство сравнения (УС) 7, регистр ЛЧМ-эталона (РЛЧМ-Э) 8, измеритель временных задержек (ИВЗ) 9, формирователь сигнала коррекции синхронизации (ФСКС) 10, регистр временных констант - времен распространения сигнала от каждой станции (РВК) 11.

Прибор пользователя (фиг. 3) включает последовательно соединенные приемную антенну, радиоприемное устройство (РПУ) 12, накопитель сигналов (НС) 13, устройство сравнения (УС) 14, измеритель временных задержек (ИВЗ) 15 прихода сигналов, вычислитель координат (ВК) 16, индикатор местоположения (ИМП) 17, регистр ЛЧМ-эталона (РЛЧМ-Э) 18, регистр временных констант (РВК) 19, регистр координат излучающих станций (РК) 20. Блоки синхронизованы таймером-синхронизатором (Т-С) 21. При этом 3n выходов регистра координат 20 соединены со вторыми входами вычислителя 16, n выходов накопителя 13 соединены с n первыми входами устройства сравнения 14, вторые n входов которого соединены с регистром ЛЧМ-эталона 18, n выходов устройства сравнения соединены с первыми входами измерителя задержек 15, вторые входы которого соединены с n выходами регистра временных констант 19.

Способ радионавигации и функционирование радионавигационной системы осуществляют следующим образом.

С выходов задающего генератора 1 сигналы (несущая частота 80 кГц) подают на вход блока тактовых синхроимпульсов 5, представляющий собой делитель частоты 1: 1000 и формирователь тактовых импульсов, а также на вход модулятора ЛЧМ 3 как несущую частоту. Тактовые импульсы частотой 80 Гц подают на вход кодера 2, вырабатывающего низкочастотный сигнал-код, индивидуальный для каждой станции и определяющий очередность, момент и длительность излучения. С управляющего выхода кодера 2 сигнал-код подают на управляемый вход усилителя мощности 4. С выхода модулятора 3 ЛЧМ-сигнал, синхронизованный тактовым синхроимпульсом, подают на сигнальный вход усилителя мощности 4, который усиливает и пропускает его в течение интервала времени, равного длительности сигнала-кода. С выхода усилителя 4 сигналы подают на радиоизлучающую антенну и излучают в пространство.

Одновременно ЛЧМ-модулированные закодированные высокочастотные сигналы каждой станции поступают на приемные антенны остальных п-1 станций и РПУ 6. С низкочастотных выходов РПУ сигналы подают на один из сигнальных входов УС 7, на второй сигнальный вход которого подают ЛЧМ-эталон из регистра 8. В устройстве сравнения 7 получают сигналы, равные разности времен прихода каждой частотной составляющей ЛЧМ-сигнала относительно эталона, эти сигналы поступают в измеритель временной задержки 9, в котором находят средние задержки приходов сигналов от каждой станции. Эти задержки подают на n-1 входов формирователя сигналов коррекции синхронизации 10, на вторые n-1 входов которого подают временные константы из регистра РВК 11, с выхода формирователя 10 обобщенный сигнал коррекции подают на управляемый вход блока тактовых синхроимпульсов 5, осуществляя тем самым частотную временную привязку начала излучения каждой станции в сети станций.

Таким образом, создают единое радионавигационное поле, представляющее собой совокупность последовательных импульсов излучения всех станций и исключающее их суперпозицию на всем пространстве региона.

Последовательность ЛЧМ-сигналов от всех станций принимают на антенну и РПУ 12 прибора пользователя, с выхода которого сигнал подают в накопитель 13, где последовательность сигналов распределяют по n ячейкам, соответствующим n станциям. С n выходов накопителя 13 сигналы, накопленные в течение m циклов, что повышает отношение сигнал/шум в m² раз, подают на первые входы устройства сравнения 14, на вторые входы которого подают из регистра ЛЧМ-эталона 18 ЛЧМ-эталон. В устройстве 14 определяют времена задержек t_n принятых сигналов относительно эталона. С выходов устройства сравнения 14 сигналы, соответствующие измеренным временам прихода, подают на первые входы измерителя временных задержек 15, на вторые входы которого из регистра временных констант 19 подают сигналы, соответствующие временам распространения сигналов между каждыми парами станций. С выходов ИВЗ 15 сигналы, соответствующие временам распространения сигналов от каждой станции до места приема, подают на первые входы вычислителя координат 17, на вторые 3n входов которого подают сигналы, соответствующие координатам n радиоизлучающих станций, из регистра координат 20. С помощью таймера-синхронизатора 21 синхронизуют работу всех блоков прибора. С выходов вычислителя 16 сигналы, соответствующие координатам места приема, подают на индикатор местоположения 17, где они отображаются как в цифровом виде, так и в виде яркостной отметки на электронной карте.

Работоспособность системы была подтверждена с помощью аппаратурно-программного моделирования, позволившего имитировать региональную радионавигационную систему, например, для Казахстана, см. фиг.1, территорию которого можно охватить оптимальной сетью из семи станций. Приемно-излучающая часть станций-маяков и прибор пользователя были выполнены в виде макета из типовых радиоэлектронных приборов и компьютера IBM PC-486.

Использование приема линейно-частотного модулирования и формирования сигнала коррекции из временных сдвигов каждой частотной составляющей сигнала позволило жестко синхронизовать работу всей сети станций и повысило устойчивость системы к узкополосным помехам.

Изобретение относится к региональной радионавигации. Достигаемый технический результат - упрощение и удешевление обслуживания навигационной системы, а также повышение ее помехозащищенности. На каждой приемопередающей станции системы излучают и принимают ЛЧМ-сигналы от остальных станций, при этом измеряют временные задержки каждой частотной составляющей ЛЧМ-сигнала относительно ЛЧМ-эталона, из которых формируют сигнал коррекции синхронизации. Сигналы от n станций принимают прибором пользователя, в котором идентифицируют станции и по известным их координатам вычисляют собственные. В приборе пользователя использованы накопитель сигналов и устройство сравнения ЛЧМ-сигналов с ЛЧМ-эталоном, позволяющие повысить уровень сигнал/шум и достоверность определения временных задержек сигналов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ радионавигации, заключающийся в том, что региональное радионавигационное поле создают синхронизированным радиоизлучением сети n станций, излучение каждой станции кодируют для идентификации ее в месте приема, синхронизируют очередность, моменты времени и периодичность посылок импульсов радиоизлучения, в месте приема, координаты которого необходимо определить, принимают кодированные излучения от всех станций, идентифицируют станции, принятые сигналы накапливают в течение m циклов посылок сигналов от каждой станции, измеряют временные задержки прихода каждого n-го сигнала, определяют время распространения сигналов от четырех станций с наибольшими уровнями сигналов, вычисляют расстояния до этих станций и по известным координатам станций вычисляют координаты места приема, отличающийся тем, что радионавигационное поле создают синхронизованным излучением линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов, на каждой станции эти сигналы принимают, измеряют временные задержки каждой частотной составляющей ЛЧМ-сигналов от остальных n-1 станций относительно ЛЧМ-эталона, хранящегося на каждой станции и используемого для модуляции собственного излучения, с учетом измеренных временных задержек и известных временных констант - времен распространения сигнала от остальных n-1 станций корректируют синхронизацию каждой станции. 2. Региональная система радионавигации, включающая n наземных синхронизированных радиоизлучающих станций, каждая станция содержит задающий генератор, с выходов которого сигналы подают на вход блока тактовых синхроимпульсов и вход модулятора, тактовые импульсы с блока тактовых синхроимпульсов подают на вход кодера, с управляющего выхода кодера сигнал подают на управляемый вход усилителя мощности, с выхода модулятора сигнал подают на сигнальный вход усилителя мощности, с выхода которого сигналы подают на радиоизлучающую антенну, закодированные высокочастотные сигналы каждой станции поступают на приемные антенны остальных n-1 станций и радиоприемное устройство (РПУ) для приема сигналов излучающих станций, множество приборов пользователей, включающих последовательно соединенные приемную антенну, радиоприемное устройство, накопитель сигналов, устройство сравнения, измеритель временных задержек приходов сигналов, вычислитель координат и индикатор местоположения, при этом 3n выходов регистра координат излучающих станций соединены со вторыми входами вычислителя координат, вторые n входов устройства сравнения соединены с регистром эталона кодов, вторые входы измерителя временных задержек приходов сигналов соединены с n выходами регистра временных констант-времен распространения сигналов между каждой парой станций, а все блоки синхронизированы таймером-синхронизатором, отличающаяся тем, что в каждой станции модулятор выполнен как линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ)-модулятор, а демодулятор в радиоприемном устройстве, каждой станции и прибора пользователя выполнен, как ЛЧМ-демодулятор, в состав каждой станции введены регистр ЛЧМ-эталона, регистр временных констант, устройство сравнения ЛЧМ-сигнала и ЛЧМ-эталона, измеритель временных задержек и формирователь сигнала коррекции синхронизации, при этом с низкочастотных выходов РПУ сигналы подают на один из сигнальных входов устройства сравнения, на второй сигнальный вход которого подают ЛЧМ-эталон из регистра ЛЧМ-эталона, из устройства сравнения сигналы поступают в измеритель временных задержек, задержки приходов сигналов с которого подают на (n-1) входов формирователя сигналов коррекции синхронизации, на вторые (n-1) входов которого подают временные константы из регистра временных констант, с выхода формирователя сигналов коррекции синхронизации сигнал коррекции подают на управляемый вход блока тактовых синхроимпульсов, а в каждом приборе пользователя регистр эталона кода выполнен как регистр ЛЧМ-эталона.