СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ ИСТОЧНИКОМ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к способам передачи радиосигналов источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной трехпунктовой приемной системой, и может быть использовано в радионавигационных системах для определения пространственных координат и других характеристик объекта, например летательного аппарата (ЛА), функционально связанных с его координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения и передаче информации. Способ может быть применен при испытаниях на полигонах ЛА в качестве метода, обеспечивающего выбор оптимальных измерительных систем и их рационального размещения на испытательной трассе, формирование автоматизированного комплекса обработки принятых радиосигналов и разработку алгоритмического и программного обеспечения оценки характеристик испытываемых объектов.

Возрастающая интенсивность воздушного движения и ужесточение норм безопасности полетов повышают требования к точности и надежности управления полетом ЛА на всех фазах полета, позволяющие ЛА находиться в заданных коридорах и эшелонах, а экипажу точно выполнять требуемые процедуры и маневры. Для решения этих задач в первую очередь необходимо однозначное и точное измерение пространственных координат объекта. Знание пространственных координат позволит выполнить движение ЛА по заданной траектории с требуемой точностью. Кроме того, способ дает возможность контролировать наземными средствами перемещение в пространстве объекта - источника ИРИ.

Заявляемый способ разработан с целью удовлетворения, в частности, возрастающим требованиям к устойчивой к помехам безопасной всепогодной высокоточной радионавигационной системы. Реализация способа позволит, кроме того, упростить системы навигации, 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.: Машиностр., 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, большие размеры измерительной базы, ненадежность и др.

По критерию минимальной достаточности за прототип принят способ передачи радиосигналов источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной трехпунктовой 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 [патент РФ №2204145, 10.05.2003].

Преимуществом заявляемого способа передачи радиосигналов источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной трехпунктовой приемной системой по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами. Это достигается тем, что на приемных пунктах двумя антеннами, верхней и нижней в каждом, регистрируют моменты времени приема импульсных радиосигналов, передаваемых ИРИ. При этом фазовые центры верхних и нижних 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. 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 объекта, 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 источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной трехпунктовой 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, в соответствии с настоящим изобретением в пунктах приема, упорядоченных заданным образом, двумя приемными антеннами, верхней и нижней в каждом, с фазовыми центрами верхних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₁, и фазовыми центрами нижних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₂, с координатами на плоскости (0, x, y), одинаковыми для соответствующих верхних и нижних антенн, равными x₁=с, у₁=b; x₂=a, у₂=0; x₃=-a, у₃=0, с нумерацией индексов для верхних антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2 и 3, и нумерацией индексов для нижних антенн, на три большей значений индексов, соответствующих нумерации верхних антенн, и равных 4, 5, 6 соответственно, принимают синхронизированно радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый, с задержкой между импульсами Δτ_2n, необязательно одинаковой от импульса к импульсу, где Δτ_2n>Δτ₁+2h₁/v_s, v_s - скорость распространения радиосигнала, n - номер импульса, изменяющийся от 1 до N, синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен их приема на соответствующие антенны пунктов приемной системы, измеряют разности Δt_i,j между временами приемов 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 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 объекта (x_0j, у_0j, z_0j) в соответствии с выражениями

где a>0, b≠0, h₁-h₂>0;

l₁=d_6,1, m₁=d_5,1, n₁=d_3,1, p₁=d_2,1; l₂=d_6,2, m₂=d_4,2, n₂=d_3,2, p₂=d_1,2;

l₃=d_5,3, m₃=d_4,3, n₃=d_2,3, p₃=d_1,3; 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 ;

; ;

; A_j=l_j-m_j-n_j+p_j; ;

C_j=l_j+m_j-n_j-p_j,

определяют индекс j, для которого K_j минимальное, и для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты (x_0j, у_0j, z_0j) 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 . И, наконец, при передаче с объекта импульсных радиосигналов этими же радиосигналами одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между импульсами Δτ_2n, а при приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n, 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.

Источник радиоизлучения, находящийся на объекте, в том числе подвижном, посылает радиосигналы в виде импульсов. Их принимает наземная трехпунктовая 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, x, y), 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 пунктах приема, упорядоченных заданным образом, принимают синхронизированно радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый. При этом в каждом пункте прием осуществляют двумя приемными антеннами, верхней и нижней, с фазовыми центрами верхних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₁, и фазовыми центрами нижних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₂, с координатами на плоскости (0,x,у), одинаковыми для соответствующих верхних и нижних антенн, равными x₁=с, у₁=b; x₂=a, у₂=0; x₃=-a, у₃=0, с нумерацией индексов для верхних антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2 и 3, и нумерацией индексов для нижних антенн, на три большей значений индексов, соответствующих нумерации верхних антенн, и равных 4, 5, 6 соответственно. Между импульсами должна быть задержка Δτ_2n, необязательно одинаковая от импульса к импульсу, где Δτ_2n>Δτ₁+2h₁/v_s, v_s - скорость распространения радиосигнала, n - номер импульса, изменяющийся от 1 до N. На пунктах приемной системы синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен их приема. Затем измеряют разности Δt_i,j между временами приемов радиосигналов на i-й и j-й антеннах, индекс, 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 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, 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 объекта (x_0j, y_0j, z_0j) в соответствии с выражениями

где a>0, b≠0, h₁-h₂>0;

l₁=d_6,1, m₁=d_5,1, n₁=d_3,1, p₁=d_2,1; l₂=d_6,2, m₂=d_4,2, n₂=d_3,2, p₂=d_1,2;

l₃=d_5,3, m₃=d_4,3, n₃=d_2,3, p₃=d_1,3; 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 ;

;

; A_j=l_j-m_j-n_j+p_j; ;

C_j=l_j+m_j-n_j-p_j, и определяют индекс j, для которого K_j минимальное. Для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты (x_0j, y_0j, z_0j) 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.

Способ может быть применен для передачи информации. В этом случае при передаче с объекта импульсных радиосигналов этими же радиосигналами одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между импульсами Δτ_2n. При приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n, информацию восстанавливают и передают потребителю.

В данном способе применяется простой импульсный метод. Благодаря достаточно широкому спектру импульсных радиосигналов существенно снижается влияние интерференционных эффектов и замирания сигналов. ИРИ посылает радиосигналы в виде импульсов, характерных, например, для сверхширокополосной связи. 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.narod.ru, обращение 09.06.2009; 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 [В.Дмитриев, цит. выше].

Проиллюстрируем возможности заявляемого способа на примерах математического моделирования определения пространственных координат с заданными среднеквадратическими ошибками σ определения их среднеарифметических значений, соответствующими требованиям, предъявляемым к средствам радионавигации ЛА [см., например, Радиотехнические системы, цит. выше, с.424].

Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки отдельных измерений d_i,j, равные 3 мм, высоты фазовых центров верхних антенн h₁=7 м, высоты фазовых центров нижних антенн h₂=1 м и базы a=1500 метров, . На фигурах 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 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. Эти значения соответствуют, например, условиям захода ЛА на посадку [Радиотехнические системы, цит. выше, с.424].

Приведенные примеры иллюстрируют работоспособность способа применительно к радионавигации ЛА.

Перечислим основные достоинства способа:

- используется трехпунктовая приемная система, принимающая импульсные радиосигналы, при этом фазовые центры верхних приемных антенн расположены на одной высоте h₁, а фазовые центры нижних приемных антенн расположены также на одной высоте h₂,

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта с заданной точностью,

- определение координат производится по простым выражениям с высоким быстродействием,

- легко реализуется в вычислительных процессорах,

- в системах радионавигации существенно упрощает радиооборудование,

- 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 от источником радиоизлучения, находящегося на объекте, в том числе подвижном, и его приема наземной трехпунктовой приемное системой состоит 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 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, 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 однозначного определения пространственных координат и других характеристик ИРИ, функционально связанных с его координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения, в том числе в радиотехнических комплексах систем навигации летательных аппаратов (ЛА). Технический результат - возможность определения перемещения в пространстве объекта - источника ИРИ и возможность варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Для этого на приемных пунктах трехпунктовой системы двумя антеннами, верхней и нижней в каждом, регистрируют моменты времени приема преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов ИРИ, при этом фазовые центры верхних и нижних антенн расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют по выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. Выбор осуществляют по точности из трех предлагаемых вариантов определения пространственных координат объекта, 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 источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной трехпунктовой 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 пунктах приема, упорядоченных заданным образом, двумя приемными антеннами, верхней и нижней в каждом, с фазовыми центрами верхних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₁, и фазовыми центрами нижних антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h₂, с координатами на плоскости (0, x, y), одинаковыми для соответствующих верхних и нижних антенн, равными x₁=c, y₁=b; x₂=a, y₂=0; x₃=-а, у₃=0, с нумерацией индексов для верхних антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2 и 3, и нумерацией индексов для нижних антенн, на три большей значений индексов, соответствующих нумерации верхних антенн, и равных 4, 5, 6 соответственно, принимают синхронизированно радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый, с задержкой между импульсами Δτ_2n, необязательно одинаковой от импульса к импульсу, где Δτ_2n>Δτ₁+2h₁/ν_s, ν_s - скорость распространения радиосигнала, n - номер импульса, изменяющийся от 1 до N, синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен их приема на соответствующие антенны пунктов приемной системы, измеряют разности Δt_i,j между временами приемов 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 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 объекта (x_0j, y_0j, z_0j) в соответствии с выражениями

,
,
где a>0, b≠0, h₁-h₂>0;
l₁=d_6,1, m₁=d_5,1, n₁=d_3,1, p₁=d_2,1; l₂=d_6,2, m₂=d_4,2, n₂=d_3,2, p₂=d_1,2, n₂=d_3,2, p₂=d_1,2;
l₃=d_5,3, m₃=d_4,3, n₃=d_2,3, p₃=d_1,3; 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
; ;
A_j=l_j-m_j-n_j+p_j; ; C_j=l_j+m_j-n_j-p_j,
определяют индекс j, для которого K_j минимальное, и для найденного таким образом значения индекса j определяют пространственные координаты (x_0j, y_0j, z_0j) 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 п.1, отличающийся тем, что при передаче с объекта импульсных радиосигналов этими же радиосигналами одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между импульсами Δτ_2n, а при приеме радиосигналов преимущественно по крайней мере на одну из антенн приемных пунктов измеряют Δτ_2n, информацию восстанавливают и передают потребителю.