СПОСОБ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ ОТ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее - к способам приема радиосигналов от источников радиоизлучений (ИРИ), находящихся на объектах, в том числе подвижных, наземной пунктовой приемной системой, и может быть использовано преимущественно в радионавигационных системах для измерения пространственных координат и других характеристик ИРИ, функционально связанных с их координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения и передаче информации. Способ может быть применен при испытаниях на полигонах летательных аппаратов 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.

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

Известны способы приема радиосигналов, используемые, в том числе, в системах измерения координат ИРИ и основанные на применении угломерных, дальномерных, разностно и суммарно-дальномерных и комбинированных методов определения местоположения объекта - носителя ИРИ с амплитудными, временными, частотными, фазовыми и импульсно-фазовыми методами измерения параметров радиосигналов [Патенты РФ №№2018855, 2115137, 2258242, 2309420, 2363117; 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; Быстров Р.П. и др. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов. Под ред. Р.П.Быстрова и А.В.Соколова. - М.: Радиотехника, 2008, гл.6; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.: «Радиотехника», 2008, гл.5]. Известные способы имеют те или иные недостатки, например, необходимость механического перемещения антенной системы, недостаточную разрешающую способность по дальности, необходимость априорной информации о местоположении ИРИ, невозможность однозначного определения координат ИРИ, ненадежность и др.

По критерию минимальной достаточности за прототип принят способ приема радиосигналов от источников радиоизлучений, находящихся на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, 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, принимая синхронизировано радиосигналы от источника радиоизлучения и регистрируя моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах приемной системы [Патент РФ №2204145, 10.05.2003].

Преимуществом заявляемого способа приема радиосигналов от ИРИ, находящихся на объектах, наземной пунктовой приемной системой по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических систем измерения пространственных координат и других характеристик объектов, функционально связанных с координатами. Это достигается тем, что на шести пунктах приема регистрируют моменты времени приема радиосигналов, передаваемых ИРИ. При этом фазовые центры антенн располагают определенным образом. Пространственные координаты определяют посредством косвенного измерения с использованием простых выражений, зависящих от измеренных разностей между временами приемов радиосигналов на пунктах. Более высокая точность достигается, в том числе, за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов измерения координат ИРИ в каждой точке пространства наилучшего по точности. Это позволяет получить, в том числе, близкую к круговой зону действия реализующих его систем и существенно увеличивает объем этой зоны. Также способ исключает неоднозначность измерения координат и позволяет контролировать наземными средствами перемещение в пространстве источников радиоизлучений.

Для достижения указанного технического результата в способе приема радиосигналов от источников радиоизлучений, находящихся на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, 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, принимая синхронизировано радиосигналы от источника радиоизлучения и регистрируя моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах приемной системы, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая приемная система выполнена с шестью пунктами приема, упорядоченными заданным образом, причем в первой группе из трех пунктов приема преимущественно ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₁ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными X₁=0, Y₁=2b; , Y₂=-b; , Y₃=-b, и во второй группе из трех пунктов приема преимущественно ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₂ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х₄=0, Y₄=-2a; , Y₅=a; , Y₆=a, где а и b - заданные положительные числа, принимают радиосигналы от источника радиоизлучения, выделяют принятые и неотраженные от поверхности земли радиосигналы, например, экранируя радиосигналы, отраженные от земли, производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов на j-х пунктах и временами приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы, причем в первой группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1, во второй группе измерений упомянутые измерения производят для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, в третьей группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3, по совокупности измеренных указанных разностей времен Δt_i,j через параметры

l₁=d_6,1, w₁=d_5,1, u₁=d_3,1, p₁=d_2,1, s₁=d_4,1;

l₂=d_5,2, w₂=d_4,2, u=d_1,2, p₂=d_3,2, s₂=d_6,2;

l₃=d_4,3, w₃=d_6,3, u₃=d_2,3, p₃=d_1,3, s₃=d_5,3,

где d_i,j=сΔt_i,j, с - скорость распространения радиосигнала, для каждой упомянутой j-й группы измеряют параметры

; ,

по совокупностям параметров l_j, w_j, u_j, p_j и М_j, N_j измеряют параметры

A_j=(2l_jM_j-N_j)²/b², B_j=(2w_jM_j-N_j)²/b²,

C_j=(2u_jM_j-N_j)²/a², D_j=(2p_jM_j-N_j)²/a²

и по М_j и совокупности параметров А_j, В_j, С_j, D_j для каждой упомянутой j-той группы преимущественно измеряют параметр , по измеренным К_j идентифицируют группу измерений и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр К_j минимальный, и для найденного таким образом значения индекса j=j_m и через параметры M_j и N_j измеряют дальность от приемного пункта с индексом j=j_m, до объекта dt_jm=-0.5N_jm/М_jm и по dt_jm и совокупностям параметров l_jm, w_jm, s_jm измеряют параметры

,

и через них измеряют преимущественно пространственные координаты объекта (X₀, Y₀, Z₀)

X₀=x_jmα_jm+y_jmβ_jm, Y₀=-x_jmβ_jm+y_jmα_jm,

,

где α₁=1, β₁=0; α₂=-1/2, ; α₃=-1/2, ,

указанные действия в упомянутом порядке повторяют при каждом приеме радиосигналов.

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, в том числе подвижных, посылают радиосигналы. 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, X, Y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0Z, направленной от земли. На приемных пунктах, принимая синхронизировано радиосигналы от источника радиоизлучения и регистрируя моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах приемной системы.

Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем измерения пространственных координат и других характеристик ИРИ, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что наземная пунктовая передающая система выполнена с шестью пунктами передачи, упорядоченными заданным образом. При этом в первой группе из трех пунктов передачи передают радиосигналы преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₁, в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, У), равными X₁=0, Y₁=2b; , Y₂=-b; , Y₃=-b. Во второй группе из трех пунктов передачи радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₂ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х₄=0, Y₄=-2α; Y₅=a; Y₆=a Здесь а и b - заданные положительные числа. При приеме радиосигналов от источника радиоизлучения выделяют принятые и неотраженные от поверхности земли радиосигналы, например, экранируя радиосигналы, отраженные от земли. В способе производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов на i-х пунктах и временами приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы. При этом в первой группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1. Во второй группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2. В третьей группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3.

По совокупности измеренных указанных разностей времен Δt_i,j через параметры

l₁=d_6,1, w₁=d_5,1, u₁=d_3,1, p₁=d_2,1, s₁=d_4,1;

l₂=d_5,2, w₂=d_4,2, u=d_1,2, p₂=d_3,2, s₂=d_6,2;

l₃=d_4,3, w₃=d_6,3, u₃=d_2,3, p₃=d_1,3, s₃=d_5,3,

где d_i,j=cΔt_i,j, с - скорость распространения радиосигнала, для каждой упомянутой j-ой группы измеряют параметры

; .

По совокупностям параметров l_j, w_j, u_j, p_j и M_j, N_j измеряют параметры

A_j=(2l_jM_j-N_j)²/b², B_j=(2w_jM_j-N_j)²/b²,

C_j=(2u_jM_j-N_j)²/a², D_j=(2p_jM_j-N_j)²/a².

По М_j и совокупности параметров А_j, В_j, С_j, D_j для каждой упомянутой j-ой группы преимущественно измеряют параметр . По измеренным К_j идентифицируют группу измерений и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр К_j минимальный. В этом случае достигается более высокая точность за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов измерения пространственных координат ИРИ, производимых в каждой точке пространства, наилучшего по точности. Для найденного таким образом значения индекса j=j_m и через параметры М_j и N_j измеряют дальность от приемного пункта с индексом j=j_m до объекта dt_jm=-0.5N_jm/М_jm. Далее по dt_jm и совокупностям параметров l_jm, w_jm, s_jm измеряют параметры

и через них измеряют преимущественно пространственные координаты объекта - источника радиоизлучения (X₀, Y₀, Z₀)

X₀=x_jmα_jm+y_jmβ_jm, Y₀=-x_jmβ_jm+y_jmα_jm,

где α₁=1, β₁=0; α₂=-1/2, ; α₃=-1/2,

Указанные действия в упомянутом порядке повторяют при каждом приеме радиосигналов. Полученная информация, в том числе, может быть отображена с использованием цифровых карт местности и геоинформационных технологий.

Можно уменьшить влияние на точность измерения координат случайных погрешностей измерений Δt_i,j, например, посредством многократного (N раз) повторения измерений, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения. Систематические ошибки могут быть исключены путем калибровки.

Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать, в том числе, центрально-симметричные зоны, близкие к круговым, с погрешностью в зоне, не превышающей погрешности измерения координат на границе зоны. Способ обладает достаточным быстродействием измерения координат и параметров ИРИ при сохранении заданной точности и может быть реализован с помощью современной элементной базы и микропроцессорной техники.

Проиллюстрируем возможности заявляемого способа на примерах математического моделирования измерения пространственных координат. Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки σ отдельных измерений d_i,j, равные 0.6 м, высоты фазовых центров первых трех антенн (1, 2, 3) h₁=1 м, высоты фазовых центров трех других антенн (4, 5, 6) h₂=3 м, а=10 км, b=10 км, z=10 км. На фигурах звездочками отмечено расположение первых трех пунктов, а треугольниками - вторых трех пунктов, цифрами 1…4 отмечены границы зон, внутри которых среднеквадратические ошибки измерения значений дальностей от приемного пункта с индексом j до объекта dt_j не превышают заданные (1-1 км, 2-0.5 км, 3-0.2 км, 4-0.05 км). 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=j_m, для которого К_j минимальное, и определение координат производят для параметров, соответствующих этому j_m, представлены на фиг.4. Такой подход позволяет получить близкую к круговой зону действия и существенно увеличить ее объем.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное измерение пространственных координат объекта с заданной точностью,

- измерение координат реализуется с помощью современной элементной базы и микропроцессорной техники,

- эффективнее использует ресурс связи,

- одновременно обслуживает несколько ИРИ,

- позволяет получить, в том числе, близкую к круговой зону действия реализующих его систем измерения пространственных координат с заданной точностью и существенно увеличивает ее объем.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа приема радиосигналов от источника радиоизлучения, находящегося на объекте, в том числе подвижном, и его приема наземной шестипунктовой приемной системой состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радионавигационных систем измерения координат ИРИ, а также в других приложениях. Способ позволяет измерять 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, а конкретнее - к способам приема радиосигналов от источников радиоизлучений (ИРИ), находящихся на объектах, в том числе подвижных, наземной шестипунктовой приемной системой, и может быть использовано преимущественно для однозначного измерения пространственных координат и других характеристик ИРИ, функционально связанных с их координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения, в том числе, в системах навигации летательных аппаратов. Технический результат - повышение точности приема радиосигналов от источников радиоизлучений, в одновременном обслуживании нескольких ИРИ. Для этого на приемных пунктах регистрируют моменты времени приема радиосигналов ИРИ, при этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют посредством косвенного измерения с использованием предложенных простых выражений, зависящих от измеренных разностей между временами приемов радиосигналов на пунктах. В способе выбирают наиболее точные координаты ИРИ в каждой точке пространства, что позволяет получить близкую к круговой зону действия реализующих его систем и существенно увеличивает объем этой зоны. 4 ил.

Способ приема радиосигналов от источников радиоизлучений, находящихся на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, 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, принимая синхронизированно радиосигналы от источника радиоизлучения и регистрируя моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах приемной системы, отличающийся тем, что наземная пунктовая приемная система выполнена с шестью пунктами приема, упорядоченными заданным образом, причем в первой группе из трех пунктов приема преимущественно ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₁, в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными X₁=0, Y₁=2b; Y₂=-b; Y₃=-b, и во второй группе из трех пунктов приема преимущественно ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₂ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х₄=0, Y₄=-2a; Y₅=a; Y₆=а, где a и b - заданные положительные числа, принимают радиосигналы от источника радиоизлучения, выделяют принятые и неотраженные от поверхности земли радиосигналы, например, экранируя радиосигналы, отраженные от земли, производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов на i-х пунктах и временами приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы, причем в первой группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1, во второй группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, в третьей группе измерений упомянутые измерения производят для i-х пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3, по совокупности измеренных указанных разностей времен Δt_i,j и определенных через них параметров d_i,j=сΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигнала, через параметры с размерностью длины l_j, w_j, u_j, p_j s_j, где у принимает значения 1, 2, 3, определяемые через указанные d_i,j в соответствии с выражениями l₁=d_6,1, w₁=d_5,1, u₁=d_3,1, p₁=d_2,1, s₁=d_4,1; l₂=d_5,2, w₂=d_4,2, u₂=d_1,2, p₂=d_3,2, s₂=d_6,2; l₃=d_4,3, u₃=d_6,3, u₃=d_2,3, p₃=d_1,3, s₃=d_5,3, для каждой упомянутой j-й группы измеряют безразмерные параметры М_j и параметры с размерностью длины N_j в соответствии с выражениями по совокупностям параметров l_j, w_j, u_j, p_j и М_j, N_j измеряют безразмерные параметры A_j, B_j, С_j и D_j в соответствии с выражениями A_j=(2l_jM_j-N_j)²/b², B_j=(2w_jM_j-N_j)²/b², C_j=(2u_jM_j-N_j)²/a², D_j=(2p_jM_j-N_j)²/a², и по М_j и совокупности параметров A_j, B_j, C_j, D_j для каждой упомянутой j-й группы преимущественно измеряют безразмерный параметр по К_j идентифицируют группу и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр К_j минимальный, для найденного таким образом значения индекса j=j_m и через параметры М_j и N_j измеряют дальность от приемного пункта с индексом j=j_m до объекта и по и совокупностям параметров s_j измеряют параметры

и через них измеряют преимущественно пространственные координаты объекта (X₀,Y₀,Z₀)


где α₁=1, β₁=0; α₂=-1/2, α₃=-1/2,
указанные действия в упомянутом порядке повторяют при каждом приеме радиосигналов.