СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НАЗЕМНЫХ РАДИОМАЯКОВ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к способам передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, и может быть использовано для определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения, в том числе в радиотехнических комплексах систем навигации и посадки летательных аппаратов (ЛА). Способ может быть применен при испытаниях на полигонах ЛА в качестве метода, обеспечивающего выбор оптимальных измерительных систем и их рациональное размещение на испытательной трассе, формирование автоматизированного комплекса обработки принятых радиосигналов и разработку алгоритмического и программного обеспечения оценки характеристик испытываемых объектов.

Для решения этих задач в первую очередь необходимо точное измерение пространственных координат объекта. Знание пространственных координат позволит выполнить движение ЛА по заданной траектории с требуемой точностью, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.

Известны способы передачи и приема радиосигналов, используемые, в том числе, в системах измерения координат объектов и 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, 2115137, 2258242, 2309420; 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, гл. 10]. Известные способы имеют те или иные недостатки, например необходимость механического перемещения антенной системы, недостаточную разрешающую способность по дальности, необходимость априорной информации о местоположении объекта, невозможность однозначного определения координат объекта, ненадежность и др.

По критерию минимальной достаточности за прототип принят способ передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, фазовые центры передающих антенн которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, x, y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли, при котором передают импульсные радиосигналы и на приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов [Радиотехнические системы. / Ю.М.Казаринов и др. Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, гл. 10, с 437-443, 449-454].

Преимуществом заявляемого способа передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат в заданной области пространства и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами. Это достигается тем, что на объекте регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен приема радиосигналов, передаваемых с четырех радиомаячных пунктов с передающими антеннами в каждом. При этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют по простым выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. Способ существенно облегчает исключение систематической погрешности. Он позволяет уменьшить влияние на точность определения координат случайных погрешностей путем повторения измерений указанных разностей N раз, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения.

Для достижения указанного технического результата в способе передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, фазовые центры передающих антенн которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, x, y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью Oz, направленной от земли, при котором передают импульсные радиосигналы и на приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов, в соответствии с настоящим изобретением с четырех радиомаячных пунктов, упорядоченных заданным образом, с одной передающей антенной в каждом, с фазовыми центрами антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h с координатами на плоскости (0, x, y), равными x₁=0, y₁=b; x₂=a, y₂=0; x₃=0, y₃=-b, x₄=-a, y₄=0, где h, а, b>0, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3 и 4, передают синхронизированно, упорядоченно и поочередно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта в виде группы из четырех последовательных импульсов длительностью Δτ₁ каждый, преимущественно в порядке, соответствующем нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3, 4, с задержкой между импульсами Δτ₂, удовлетворяющей условию, что произведение скорости распространения радиосигнала ν_s на Δτ₂ превышает a+b, а , причем передачу указанной группы импульсов повторяют с задержкой между группами Δτ_3n>Δτ₂, не обязательно одинаковой от группы к группе, где n - номер группы, изменяющийся от 1 до N, на объекте, в том числе подвижном, последовательно принимают передаваемые в группе радиосигналы, синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен приема на объекте всех указанных радиосигналов, при этом после регистрации момента времени приема первого радиосигнала регистрацию момента времени приема второго радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема первого радиосигнала, после регистрации момента времени приема второго радиосигнала регистрацию момента времени приема третьего радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема второго радиосигнала, после регистрации момента времени приема третьего радиосигнала регистрацию момента времени приема четвертого радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема третьего радиосигнала, с учетом исключения времен задержки i-х радиосигналов относительно первого радиосигнала измеряют разности Δt_i,1 между временами приемов i-х радиосигналов и первого радиосигнала, где индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4, указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз, при этом после регистрации момента времени приема четвертого радиосигнала предыдущей группы регистрацию момента времени приема первого радиосигнала следующей группы начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема четвертого радиосигнала предыдущей группы, в процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,1 с ранее суммированными и после N-го измерения определяют средние значения как результаты деления соответствующих накопленных сумм на заданное число N, причем N задают из условия, что , где V - скорость перемещения объекта, Δs - заданный характерный масштаб, определяющий, в том числе, разрешающую способность определения пространственных координат объекта, и определяют преимущественно пространственные координаты объекта (x₀, y₀, z₀) в соответствии с выражениями , , где l=1 для объектов, находящихся выше фазовых центров передающих антенн, и l=-1 в противном случае; , и индекс i может принимать значения 2, 3, 4, а при необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

Также при передаче с радиомаячных пунктов групп импульсных радиосигналов одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между группами Δτ_3n, а при приеме радиосигналов на объекте измеряют Δτ_3n ив соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о способах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать заявляемый способ новым и имеющим изобретательский уровень. Ниже изобретение описано более детально.

Сущность способа заключается в следующем.

Импульсные радиосигналы наземных радиомаяков передают с антенн, фазовые центры которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, x, y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли. На приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов.

Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности систем определения пространственных координат в заданной области пространства с z₀≥h и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что с четырех радиомаячных пунктов, упорядоченных заданным образом, с одной передающей антенной в каждом, передают синхронизированно, упорядоченно и поочередно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта в виде группы из четырех последовательных импульсов длительностью Δτ₁ каждый, преимущественно в порядке, соответствующем нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3, 4. Фазовые центры антенн расположены на одинаковой заданной высоте z=h с координатами на плоскости (0, x, y), равными x₁=0, y₁=b; x₂=a, y₂=0; x₃=0, y₃=-b, x₄=-а, y₄=0, где h, a, b>0. Нумерация индексов для антенн соответствует нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3 и 4. Для предотвращения наложения импульсов и их отражений между ними должна быть задержка Δτ₂, удовлетворяющая условию, что произведение скорости распространения радиосигнала ν_s на Δτ₂ превышает a+b, а . Передачу групп импульсов повторяют с задержкой между группами Δτ_3n>Δτ₂, не обязательно одинаковой от группы к группе, где n - номер группы, изменяющийся от 1 до N, обеспечивающей определенный порядок регистрации приема радиосигналов.

На объекте, в том числе подвижном, последовательно принимают передаваемые в группе радиосигналы. В базу данных объекта введены сведения о координатах антенн радиомаячных групп, например, обслуживающих соответствующие аэродромы. На объекте синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен приема на объекте всех указанных радиосигналов. При этом после регистрации момента времени приема первого радиосигнала регистрацию момента времени приема второго радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема первого радиосигнала. После регистрации момента времени приема второго радиосигнала регистрацию момента времени приема третьего радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема второго радиосигнала. После регистрации момента времени приема третьего радиосигнала регистрацию момента времени приема четвертого радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема третьего радиосигнала. С учетом исключения времен задержки i-х радиосигналов относительно первого радиосигнала измеряют разности Δt_i,1 между временами приемов i-х радиосигналов и первого радиосигнала. Индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4.

Указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз. При этом после регистрации момента времени приема четвертого радиосигнала предыдущей группы регистрацию момента времени приема первого радиосигнала следующей группы начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема четвертого радиосигнала предыдущей группы. В процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,1 с ранее суммированными. После N-го измерения определяют средние значения как результаты деления соответствующих накопленных сумм на заданное число N. При этом N задают из условия, что где V - скорость перемещения объекта, Δs - заданный характерный масштаб, определяющий, в том числе, разрешающую способность определения пространственных координат объекта.

Пространственные координаты объекта (x₀, y₀, z₀) определяют в соответствии с выражениями , , где l=1 для объектов, находящихся выше фазовых центров передающих антенн, и l=-1 в противном случае; , и индекс i может принимать значения 2, 3, 4 (l=1, например, для ЛА, l=-1, например, для объектов, движущихся по земле). При необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

Также при передаче с радиомаячных пунктов групп импульсных радиосигналов можно одновременно передавать информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между группами Δτ_3n. В этом случае при приеме радиосигналов на объекте измеряют Δτ_3n и в соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.

В данном способе применяется простой импульсный метод. Благодаря достаточно широкому спектру импульсных радиосигналов существенно снижается влияние интерференционных эффектов и замирания сигналов. Развитие используемой для реализации способа технологической базы, в том числе связанной с развитием широкополосной и сверхширокополосной связи, развитием средств формирования коротких и сверхкоротких импульсов, синхронизации, измерения абсолютного времени с высокой точностью, которая уже сейчас достигает наносекунд и выше (контролируют временное положение с точностью лучше 10 пикосекунд [Р.Нестеров. wsyachina.com/technology/extra_short_impulse.html, обращение 13.05.2010; В.Дмитриев. Технология передачи информации с использованием сверхширокополосных сигналов. Компоненты и технологии, №9, 2003], предполагает, что данный способ имеет хорошие перспективы по дальнейшему увеличению точности определения пространственных координат объекта. Способ обладает достаточным быстродействием определения координат и параметров подвижного объекта при сохранении заданной точности. Он легко реализуется в вычислительных процессорах вследствие использования простых выражений для определения пространственных координат. Следует отметить относительную простоту схемотехнических решений построения соответствующей передающей и приемной аппаратуры при реализации способа [В.Дмитриев, цит. выше].

Проиллюстрируем возможности заявляемого способа на примерах математического моделирования определения пространственных координат с заданными среднеквадратическими ошибками σ определения параметра dt (дальности от фазового центра антенны первого радиомаячного пункта до фазового центра антенны объекта).

Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки отдельных измерений d_i,1=3 см, высоты фазовых центров антенн h=1 метр, z=0.03 км, a=1500 метров, b=500 метров и N=1000. На фигурах затемнены пространственные зоны, в которых σ превышает заданные указанные ошибки на границах зон. На фиг.1 представлены результаты моделирования для σ=1 метр, на фиг.2 - для σ=10 метров, на фиг.3 - для σ=100 метров, на фиг.4 - для σ=250 метров.

Перечислим основные достоинства способа:

- используются четыре радиомаячных пункта с одной передающей антенной на каждом, передающие одинаковые импульсные радиосигналы, при этом фазовые центры антенн расположены на одинаковой высоте h,

- определение координат производится по простым выражениям с высоким быстродействием,

- легко реализуется в вычислительных процессорах,

- в системах определения координат существенно упрощает используемое радиооборудование,

- позволяет варьировать конфигурацию зоны действия приемной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических комплексов определения координат объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет определять их простыми по сравнению с известными методами.

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

Результаты поиска известных решений передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков для определения пространственных координат объекта, в том числе имеющих отношение к радиопеленгации, радионавигации, радиоуправлению и связи, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для определения пространственных координат в заданной области пространства. Технический результат - повышение эффективности, упрощение схемотехнического построения приемо-передающей аппаратуры. Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Для этого на объекте регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен приема радиосигналов, передаваемых с четырех радиомаячных пунктов с одной передающей антенной в каждом. Регистрацию моментов приемов приходящих радиосигналов осуществляют с моментов, выбранных внутри заданных диапазонов времен. При этом фазовые центры антенн расположены определенным образом на одной высоте. Пространственные координаты определяют по предложенным простым выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, фазовые центры передающих антенн которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, x, y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли, при котором передают импульсные радиосигналы и на приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов, отличающийся тем, что с четырех радиомаячных пунктов, упорядоченных заданным образом, с одной передающей антенной в каждом, с фазовыми центрами антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h с координатами на плоскости (0, x, y), равными x₁=0, y₁=b; x₂=a, y₂=0; x₃=0, y₃=-b, x₄=-a, y₄=0, где h, a, b>0, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3 и 4, передают синхронизированно, упорядоченно и поочередно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта в виде группы из четырех последовательных импульсов длительностью Δτ₁ каждый, преимущественно в порядке, соответствующем нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3, 4, с задержкой между импульсами Δτ₂, удовлетворяющей условию, что произведение скорости распространения радиосигнала ν_s на Δτ₂ превышает a+b, а причем передачу указанной группы импульсов повторяют с задержкой между группами Δτ_3n>Δτ₂, не обязательно одинаковой от группы к группе, где n - номер группы, изменяющийся от 1 до N, на объекте, в том числе подвижном, последовательно принимают передаваемые в группе радиосигналы, синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен приема на объекте всех указанных радиосигналов, при этом после регистрации момента времени приема первого радиосигнала регистрацию момента времени приема второго радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного
внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема первого радиосигнала, после регистрации момента времени приема второго радиосигнала регистрацию момента времени приема третьего радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема второго радиосигнала, после регистрации момента времени приема третьего радиосигнала регистрацию момента времени приема четвертого радиосигнала начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона , отсчитываемого от момента времени регистрации приема третьего радиосигнала, с учетом исключения времен задержки i-х радиосигналов относительно первого радиосигнала измеряют разности Δt_i,1 между временами приемов i-х радиосигналов и первого радиосигнала, где индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4, указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз, при этом после регистрации момента времени приема четвертого радиосигнала предыдущей группы регистрацию момента времени приема первого радиосигнала следующей группы начинают осуществлять с момента времени, выбранного внутри диапазона отсчитываемого от момента времени регистрации приема четвертого радиосигнала предыдущей группы, в процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,1, с ранее суммированными и после N-го измерения определяют средние значения как результаты деления соответствующих накопленных сумм на заданное число N, причем N задают из условия, что где V - скорость перемещения объекта, Δs - заданный характерный масштаб, определяющий, в том числе, разрешающую способность определения пространственных координат объекта, и определяют преимущественно пространственные координаты объекта (x₀, y₀, z₀) в соответствии с выражениями
,
,
где 1=1 для объектов, находящихся выше фазовых центров передающих антенн, и 1=-1 в противном случае;
, и индекс i может принимать значения 2, 3, 4, а при необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при передаче с радиомаячных пунктов групп импульсных радиосигналов одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между группами Δτ_3n, а при приеме радиосигналов на объекте измеряют Δτ_3n и в соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.