СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ ИСТОЧНИКАМИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/14 

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к способам передачи радиосигналов источниками радиоизлучений (ИРИ), находящимися на объектах, в том числе подвижных, наземной пунктовой приемной системой, и может быть использовано для определения пространственных координат и других характеристик объектов, функционально связанных с их 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 рационального размещения на испытательной трассе, формировании автоматизированного комплекса обработки принятых радиосигналов и разработке алгоритмического и программного обеспечения оценки характеристик испытываемых объектов.

Для решения этих задач в первую очередь необходимо однозначное и точное измерение пространственных координат объектов. Реализация способа позволит одновременно обслуживать несколько ИРИ, контролировать наземными средствами перемещение в пространстве объектов, эффективно использовать ресурс связи, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.

Известны способы передачи 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 радиосигналов источниками радиоизлучений, находящимися на объектах, по одному на каждом, в том числе подвижных, в виде, допускающем совмещенный во времени множественный доступ, и их приема наземной пунктовой приемной системой, фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов которой находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, х, у), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли, при котором на приемных пунктах измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов [Патент РФ №2204145, 10.05.2003].

Преимуществом заявляемого способа передачи радиосигналов ИРИ, находящимися на объектах, и их приема наземной пунктовой приемной системой по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат и других характеристик объектов, функционально связанных с их координатами. Это достигается тем, что в трех пунктах приема регистрируют моменты времени приема неотраженных и отраженных от поверхности земли радиосигналов, передаваемых ИРИ, фазовые центры антенн пунктов 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. Кроме того, более высокая точность достигается не только за счет уменьшения влияния указанных ошибок, но и за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов определения пространственных координат объектов наилучшего по точности. Также способ исключает неоднозначность их определения. Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия приемной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи.

Для достижения указанного технического результата в способе передачи радиосигналов источниками радиоизлучений, находящимися на объектах, по одному на каждом, в том числе подвижных, в виде, допускающем совмещенный во времени множественный доступ, и их приема наземной пунктовой приемной системой, фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов которой находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, х, у), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли, на приемных пунктах измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов, в соответствии с настоящим изобретением в трех пунктах приема, упорядоченных заданным образом, приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте z=h в вершинах треугольника с координатами на плоскости (0, х, у), равными х₁=с, y₁=b; х₂=а, y₂=0; x₃=-а, y₃=0, с нумерацией, соответствующей нумерации приемных пунктов, принимают синхронизировано m-тые радиосигналы от m-тых источников радиоизлучений, где m изменяется от 1 до заданного значения М, длительностью Δτ₁, каждый, с задержкой между передаваемыми радиосигналами Δτ_2n,m, необязательно одинаковой от радиосигнала к радиосигналу и для разных m, где Δτ_2n,m > Δτ₁, n - номер радиосигнала, изменяющийся от 1 до N, для каждого m синхронизировано регистрируют моменты времен их приема на соответствующие антенны пунктов приемной системы, осуществляя совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых неотраженных от поверхности земли радиосигналов, индексы которых 1, 2, 3 соответствуют нумерации приемных пунктов, и отраженных от поверхности земли радиосигналов, соответствующих передаваемым неотраженным от поверхности земли радиосигналам и запаздывающих относительно них, значения индексов которых заданы на три большими значений индексов, соответствующих неотраженным от земли радиосигналам, и равны 4, 5, 6 соответственно, измеряют разности Δt_i,jm между временами приемов m-тых радиосигналов на i-той и j-той антеннах, где индекс j может принимать одно из значений 1, 2, 3, а индексы i, образующие наборы из пяти значений, принимают для каждого заданного индекса j значения 1, 2, 3, 4, 5, 6 за исключением значения индекса i, равного индексу j, указанные измерения для заданного индекса j повторяют последовательно еще N-1 раз, в процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,j,m 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 для заданного индекса j определяют преимущественно пространственные координаты m-тых объектов (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) в соответствии с выражениями

v_s - скорость pacпpoстранения радиосигнала, и индекс i может принимать значения 1,2,…,6, а при необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

Также после измерения для каждого индекса j=1, 2, 3 определяют параметр

где

;

;

;

,

определяют индекс j, для которого K_j,m минимальное, и для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты m-того объекта (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) по указанным формулам.

Кроме того, радиосигналы принимают приемными антеннами пунктов, фазовые центры которых расположены так, что значение с=0.

Также радиосигналы принимают приемными антеннами пунктов, фазовые центры которых расположены так, что значение . Кроме того, при передаче с m-того объекта радиосигналов этими же радиосигналами одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между радиосигналами Δτ_2n,m, а при приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n,m, информацию восстанавливают и передают 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.

Источники радиоизлучений, находящиеся на объектах, по одному на каждом, в том числе подвижных, посылают радиосигналы в виде, допускающем совмещенный во времени множественный доступ. Их принимает наземная приемная система, фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов которой находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, х, у), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли. На приемных пунктах измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов.

Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что в трех пунктах приема, упорядоченных заданным образом, принимают синхронизировано m-тые радиосигналы, длительностью Δτ₁, каждый, от m-тых источников радиоизлучений, где m изменяется от 1 до заданного значения М, осуществляя совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых неотраженных от поверхности земли радиосигналов, индексы которых 1, 2, 3 соответствуют нумерации приемных пунктов, и отраженных от поверхности земли радиосигналов, соответствующих передаваемым неотраженным от поверхности земли радиосигналам и запаздывающих относительно них, значения индексов которых заданы на три большими значений индексов, соответствующих неотраженным от земли радиосигналам, и равны 4, 5, 6 соответственно. При этом прием осуществляют приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте z=h в вершинах треугольника с координатами на плоскости (0, х, у), равными x₁=с, y₁,=b; x₂=а, у₂=0; х₃=-а, у₃=0, с нумерацией, соответствующей нумерации приемных пунктов. Между радиосигналами должна быть задержка Δτ_2n,m, необязательно одинаковая для радиосигналов и для разных m, где Δτ_2n,m,>Δτ₁, n -номер радиосигнала, изменяющийся от 1 до N.

На пунктах приемной системы для каждого m синхронизировано регистрируют моменты времен приема всех указанных радиосигналов. Затем измеряют разности Δt_i,j,m, между временами приемов m-тых радиосигналов на i-той и j-той антеннах, где индекс j может принимать одно из значений 1, 2, 3, а индексы i, образующие наборы из пяти значений, принимают для каждого заданного индекса j значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, за исключением значения индекса i, равного индексу j.

Для заданного индекса j указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз. В процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,j,m 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. Многократное повторение измерений (N раз) позволяет уменьшить влияние на точность определения координат случайных погрешностей измерений Δt_i,j,m, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения. Систематические ошибки могут быть исключены путем калибровки.

Далее для заданного индекса j определяют преимущественно пространственные координаты m-тых объектов (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) в соответствии с выражениями

v_s - скорость распространения радиосигнала, и индекс i может принимать значения 1,2,…,6. При необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю. Полученная информация, в том числе, может быть отображена с использованием цифровых карт местности и геоинформационных технологий.

Также после измерения для каждого индекса j=1, 2, 3 определяют параметр ,

где

;

;

;

;

,

и определяют индекс j, для которого К_j,m минимальное. Для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты m-того объекта (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) по указанным формулам. В этом случае дополнительно достигается более высокая точность за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов определения пространственных координат объекта, наилучшего по точности. Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать, в том числе, центрально-симметричные зоны с погрешностью в зоне, не превышающей погрешности определения координат на границе зоны.

Кроме того, при передаче с m-того объекта радиосигналов этими же радиосигналами можно одновременно передавать информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между радиосигналами Δτ_2n,m, a при приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n,m, информацию восстанавливают и передают потребителю.

Развитие используемой для реализации способа технологической базы, в том числе связанной с синхронизацией, измерением 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], предполагает, что данный способ имеет хорошие перспективы по дальнейшему увеличению точности определения пространственных координат объектов. Способ обладает достаточным быстродействием определения координат и параметров подвижных объектов при сохранении заданной точности. Он легко реализуется в вычислительных процессорах вследствие использования простых выражений для определения пространственных координат.

Проиллюстрируем возможности заявляемого способа на примерах математического моделирования определения пространственных координат с заданными среднеквадратическими ошибками σ определения их среднеарифметических значений. Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки отдельных измерений d_i,j,m, равные 3 мм, высоты фазовых центров антенн h=3 м и базы а=1500 м, . На чертежах затемнены зоны, в которых среднеквадратические ошибки σ определения среднеарифметических значений координат превышают заданные указанные ошибки на границах зон. На фиг.1-4 z=10 км, σ=1250 метров, N=4000. Эти значения соответствуют условиям полета по маршруту для воздушной трассы шириной 10 км [Радиотехнические системы, цит.выше, с.424]. На фиг.1 представлены результаты моделирования для j=1, на фиг.2 -для j=2, на фиг.3-для j=3. Результаты моделирования для случая, когда в каждой точке пространства определяют индекс j, для которого K_j,m минимальное, и определение координат производят для параметров, соответствующих этому j, представлены на фиг.4. Такой подход позволяет получить осесимметричную зону действия и существенно увеличить ее объем.

На фиг.5 представлены результаты моделирования для z=0,03 км, σ=1 м, N=4000.

Перечислим основные достоинства способа:

- используется трехпунктовая приемная система, принимающая неотраженные и отраженные от земли радиосигналы, при этом фазовые центры приемных антенн расположены на одной высоте,

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта с заданной точностью,

- определение координат производится по простым выражениям и легко реализуется в вычислительных процессорах,

- эффективнее использует ресурс связи,

- одновременно обслуживает несколько ИРИ,

- позволяет получить осесимметричную зону действия реализующих его систем определения пространственных координат с заданной точностью и существенно увеличивает ее объем.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа передачи радиосигналов ИРИ, находящимися на объектах, в том числе подвижных, состоят в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радионавигационных систем определения координат объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет определять их однозначно простыми по сравнению с известными методами.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа передачи радиосигналов ИРИ и определения их координат 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 «новизна».

Результаты поиска известных решений, 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 быть использовано для определения пространственных координат и других характеристик ИРИ, функционально связанных с его координатами. Технический результат состоит в возможности варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи и возможности контроля наземными средствами перемещения в пространстве нескольких объектов - источников радиоизлучений. Для этого в трех наземных пунктах приема регистрируют моменты времени приема неотраженных и отраженных от поверхности земли радиосигналов ИРИ, фазовые центры антенн которых расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют по предложенным простым выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. Способ включает метод выбора из трех предлагаемых вариантов определения пространственных координат объекта наилучший по точности, что позволяет получить осесимметричную зону действия реализующих его систем и существенно увеличивает ее объем. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ передачи радиосигналов источниками радиоизлучений,
находящимися на объектах, по одному на каждом, в том числе подвижных, в виде, допускающем совмещенный во времени множественный доступ, и их приема наземной пунктовой приемной системой, фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов которой 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 на приемных пунктах измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов, отличающийся тем, что в трех пунктах приема, упорядоченных заданным образом приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте z=h в вершинах треугольника с координатами на плоскости (0,x,y), равными х₁=с, y₁=b; х₂=а, y₂=0; x₃=-а, y₃=0, с нумерацией, соответствующей нумерации приемных пунктов, принимают синхронизированно m-е радиосигналы от m-х источников радиоизлучений, где m изменяется от 1 до заданного значения М, длительностью Δτ₁ каждый, с задержкой между передаваемыми радиосигналами Δτ_2n,m, необязательно одинаковой от радиосигнала к радиосигналу и для разных m, где Δτ_2n,m >Δτ₁, n - номер радиосигнала, изменяющийся от 1 до N, для каждого m синхронизированно регистрируют моменты времен их приема на соответствующие антенны пунктов приемной системы, осуществляя совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых не отраженных от поверхности земли радиосигналов, индексы которых 1, 2, 3 соответствуют нумерации приемных пунктов, и отраженных от поверхности земли радиосигналов, соответствующих передаваемым не отраженным от поверхности земли радиосигналам и запаздывающих относительно них, значения индексов которых заданы на три большими значений индексов, соответствующих не отраженным от земли радиосигналам, и равны 4, 5, 6 соответственно, измеряют разности Δt_i,j,m между временами приемов m-х радиосигналов на i-й и j-й антеннах, где индекс j может принимать одно из значений 1, 2, 3, а индексы i, образующие наборы из пяти значений, принимают для каждого заданного индекса j значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, за исключением значения индекса i, равного индексу j, указанные измерения для заданного индекса j повторяют последовательно еще N-1 раз, в процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt_i,j,m 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 для заданного индекса j определяют преимущественно пространственные координаты m-х объектов (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) в соответствии с выражениями






v_s - скорость pacпpoстранения радиосигнала, и индекс i может принимать значения 1,2,…,6, 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 после измерения для каждого индекса j=1, 2, 3 определяют параметр , где ;
;
;
;

,
определяют индекс j, для которого K_j,m минимальное, и для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты m-го объекта (x_0j,m, y_0j,m, z_0j,m) по указанным формулам.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиосигналы принимают приемными антеннами пунктов, фазовые центры которых расположены так, что значение с=0.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что радиосигналы принимают приемными антеннами пунктов, фазовые центры которых расположены так, что значение .

5. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что при передаче с m-го объекта радиосигналов этими же радиосигналами одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между радиосигналами Δτ_2n,m, а при приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n,m, информацию восстанавливают и передают потребителю.