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 (ИРИ), находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной пятипунктовой приемной системой и может быть использовано для однозначного 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 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 точное измерение пространственных координат объекта. Реализация способа позволит, кроме того, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.

Известны способы передачи радиосигналов источником радиоизлучения, 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, 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 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 [Сетевые спутниковые РН системы / Под ред. П.П.Дмитриева и B.C.Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993. - 415 с].

Преимуществом заявляемого способа передачи радиосигналов источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной пятипунктовой 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 регистрируют моменты времени приема импульсных радиосигналов, передаваемых ИРИ. 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. Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия приемной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Также способ исключает неоднозначность определения координат.

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 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, приемными антеннами с фазовыми центрами антенн в четырех приемных пунктах, 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, и в пятом приемном пункте - с фазовым центром антенны, расположенным на заданной высоте z=H с координатами, равными x₅=α, y₅=β, где h, H, a, b>0, а α и β - действительные заданные числа, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2, 3, 4 и 5, принимают синхронизированно радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый, с задержкой между импульсами Δτ_2n, необязательно одинаковой от импульса к импульсу, где Δτ_2n>2Δτ₁+2h/ν_s, n - номер импульса, изменяющийся от 1 до N, ν_s - скорость распространения радиосигнала, синхронизированно регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен их приема на антенны пунктов приемной системы, при этом для каждой антенны после регистрации момента времени приема пришедшего импульсного радиосигнала регистрацию момента времени приема последующего импульсного радиосигнала осуществляют внутри диапазона (2h/ν_s+Δτ₁, Δτ_2n-Δτ₁), отсчитываемого от момента времени регистрации приема на соответствующую антенну предыдущего импульсного радиосигнала, измеряют разности преимущественно Δt_i,1 между временами приемов радиосигналов на i-той и первой антеннах, где индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4, 5, 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,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

и индекс i может принимать значения 2, 3, 4, 5, а при необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

Также 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 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.

Источник радиоизлучения, находящийся на объекте, в том числе подвижном, посылает радиосигналы в виде импульсов. Их принимает наземная пятипунктовая 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 определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что в пунктах приема, упорядоченных заданным образом, принимают синхронизировано радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый. При этом в четырех пунктах прием осуществляют антеннами с фазовыми центрами, 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, и в пятом приемном пункте - с фазовым центром антенны, расположенном на заданной высоте z=H с координатами, равными x₅=α, y₅=β, где h, H, a, b>0, а α и β - действительные заданные числа, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2, 3, 4 и 5. Между импульсами должна быть задержка Δτ_2n, необязательно одинаковая от импульса к импульсу, где Δτ_2n>2Δτ₁+2h/ν_s, ν_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. При этом для каждой антенны после регистрации момента времени приема пришедшего импульсного радиосигнала регистрацию момента времени приема последующего импульсного радиосигнала осуществляют внутри диапазона (2h/ν_s+Δτ₁, Δτ_2n-Δτ₁), отсчитываемого от момента времени регистрации приема на соответствующую антенну предыдущего импульсного радиосигнала. Затем измеряют разности преимущественно Δt_i,1 между временами приемов радиосигналов на i-той и первой антеннах, где индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4, 5.

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,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. Многократное повторение измерений (N раз) позволяет уменьшить влияние на точность определения координат случайных погрешностей измерений Δt_i,1, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения. Систематические ошибки могут быть исключены путем калибровки. Далее определяют преимущественно пространственные координаты объекта (x₀,y₀,z₀) в соответствии с выражениями

где

и индекс i может принимать значения 2, 3, 4, 5. При необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.

Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. 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 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. 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.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 [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 объекта до фазового центра антенны первого радиомаячного пункта).

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

Перечислим основные достоинства способа:

- используются пять радиомаячных пунктов, принимающих одинаковые импульсные радиосигналы, при этом фазовые центры четырех антенн расположены на одинаковой высоте h в заданных точках, а пятой - на высоте H,

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

- в системах определения координат существенно упрощает используемое радиооборудование.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа передачи радиосигналов от источников радиоизлучения, находящегося на объекте, в том числе подвижном, и его приема наземной пятипунктовой приемной системой 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 однозначно 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 радиосигналов источником излучения 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, а конкретнее - к способам передачи радиосигналов источником радиоизлучения (ИРИ), находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной пятипунктовой приемной системой и может быть использовано преимущественно 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. Технический результат - увеличение технико-экономической эффективности и упрощение схемотехнического решения построения соответствующей приемопередающей аппаратуры. Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Это достигается тем, что на приемных пунктах антеннами регистрируют моменты времени приема преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов ИРИ, при этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют по предложенным простым выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. Способ дает возможность контролировать наземными средствами перемещение в пространстве объекта - источника ИРИ. Он также может быть применен для передачи информации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи радиосигналов источником радиоизлучения, находящимся на объекте, в том числе подвижном, в виде импульсов и их приема наземной 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, приемными антеннами с фазовыми центрами антенн в четырех приемных пунктах, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h, с координатами на плоскости (0, x, y), равными x₁=0, y₁=b; х₂=а, y₂=0; x₃=0, у₃=-b, x₄=-а, y₄=0, и в пятом приемном пункте - с фазовым центром антенны, расположенном на заданной высоте z=H с координатами, равными x₅=α, y₅=β, где h, H, а, b>0, а α и β - действительные заданные числа, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации приемных пунктов 1, 2, 3, 4 и 5, принимают синхронизировано радиосигналы от источника радиоизлучения длительностью Δτ₁ каждый, с задержкой между импульсами Δτ_2n, необязательно одинаковой от импульса к импульсу, где Δτ_2n>2Δτ₁+2h/ν_s, n - номер импульса, изменяющийся от 1 до N, ν_s - скорость распространения радиосигнала, синхронизировано регистрируют преимущественно по временному положению переднего фронта приходящих импульсных радиосигналов моменты времен их приема на антенны пунктов приемной системы, при этом для каждой антенны после регистрации момента времени приема пришедшего импульсного радиосигнала регистрацию момента времени приема последующего импульсного радиосигнала осуществляют внутри диапазона (2h/ν_s+Δτ₁, Δτ_2n-Δτ₁), отсчитываемого от момента времени регистрации приема на соответствующую антенну предыдущего импульсного радиосигнала, измеряют разности преимущественно Δt_i,1 между временами приемов радиосигналов на i-й и первой антеннах, где индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4, 5, 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,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 (х₀, y₀, z₀) в соответствии с выражениями

где
и индекс i может принимать значения 2, 3, 4, 5, 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 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 и в соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.