СПОСОБ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НА ОБЪЕКТАХ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/185 H04B7/26 

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к способам приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, от источников радиосигналов, передаваемых наземной пунктовой передающей системой, и может быть использовано для измерения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения, в том числе в системах 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.

Реализация способа позволит, кроме того, 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 объекта.

Известны способы приема радиосигналов на объектах, 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, 2363117; 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.; 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 объекта, невозможность однозначного определения координат объекта, ненадежность и др.

По критерию минимальной достаточности за прототип принят способ приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, от источников радиосигналов, передаваемых наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах 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 радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, регистрируют моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы [Радиотехнические системы. Ю.М.Казаринов и др. / Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, гл.10, с.437-443, 449-454].

Преимуществом заявляемого способа приема радиосигналов на объектах по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов измерения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами. Это достигается тем, что на объекте регистрируют моменты времени приема радиосигналов, передаваемых с шести пунктов наземной пунктовой передающей системы. 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. Более высокая точность достигается, в том числе, за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов измерения координат объекта в каждой точке пространства, наилучшего по точности. Также способ исключает неоднозначность измерения координат и позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи.

Для достижения указанного технического результата в способе приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, от источников радиосигналов, передаваемых наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах 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 радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, регистрируют моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая передающая система выполнена с шестью пунктами передачи, упорядоченными заданным образом, причем в первой группе из трех пунктов передачи преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₁ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0,X,Y), равными Х₁=0, Y₁=2b; , Y₂=-b; , Y₃=-b, и во второй группе из трех пунктов передачи 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=-2a; , Y₅=a, , Y₆=a, где а и b заданные положительные числа передают упорядочение серии из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов, а на объекте по принятым радиосигналам производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j, между временами приемов радиосигналов с i-х пунктов и временами приемов радиосигналов с j-х пунктов передающей системы, причем в первой группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1; во второй группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, в третьей группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых 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

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

l ₂=d_5,2, w₂=d_4,2, u₂= d_1,2, p₂=d_3,2, s₂=d_6,2;

l ₃=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-той 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

и по M_j и совокупности параметров A_j, B_j, C_j, D_j для каждой упомянутой j-той группы преимущественно измеряют параметр , по измеренным K_j идентифицируют группу измерений и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр K_j минимальный, и для найденного таким образом значения индекса j=j_m, и через параметры M_j и N_j измеряют дальность от объекта до пункта передачи с индексом j=j_m, по dt_jm и совокупностям параметров , , 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, а при необходимости обеспечивают заданные задержки по времени между указанными сериями радиосигналов, не обязательно одинаковыми от серии к серии.

Кроме того, при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и с задержками между указанными сериями, превышающими максимальное из значений с учетом длительности радиосигнала и разности времени прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов, а измерение разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей системы производят с учетом времени соответствующих задержек.

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.

Радиосигналы наземной пунктовой передающей системы передают с антенн, фазовые центры которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0,х,y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли. На приемнике объекта принимают радиосигналы от источников радиосигналов, идентифицируют их соответствующим пунктам, регистрируют моменты приема радиосигналов, например по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы.

Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем измерения пространственных координат и других характеристик объекта, 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 радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h₁ в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0,X,Y), равными Х₁=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=-2a; , Y₅=a; , Y₆=a. Здесь a и b - заданные положительные числа. При этом передают упорядоченно серии из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов. На объекте производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j, между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей системы. При этом в первой группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1. Во второй группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2. В третьей группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-тых 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

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

l ₂=d_5,2, w₂=d_4,2, u₂= d_1,2, p₂=d_3,2, s₂=d_6,2;

l ₃=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-той 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 M_j и совокупности параметров A_j, B_j, C_j, D_j для каждой упомянутой j-той группы преимущественно измеряют параметр . По измеренным K_j идентифицируют группу измерений и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр K_j минимальный. В этом случае достигается более высокая точность за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов измерений пространственных координат объекта, производимых в каждой точке пространства, наилучшего по точности. Для найденного таким образом значения индекса j=j_m и через параметры M_j и N_j измеряют дальность от объекта до пункта передачи с индексом j=j_m. Далее по и совокупностям параметров , , 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. При необходимости обеспечивают заданные задержки по времени между указанными сериями радиосигналов, не обязательно одинаковыми от серии к серии.

Также при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и с задержками между указанными сериями, превышающими максимальное из значений с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов. Измерение же разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей системы производят с учетом времен соответствующих задержек.

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 зоны, в том числе, близкие к круговым, с погрешностью в зоне не превышающей погрешности измерения координат на границе зоны. Способ обладает достаточным быстродействием измерения координат и параметров объекта 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 метра, 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 dt_j от объекта до пункта передачи с индексом 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 K_j минимальное, и измерение 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 объектов,

- 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 на объектах состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем измерения 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, а конкретнее к способам приема на объектах радиосигналов наземной шестипунктовой передающей системы, и может быть использовано преимущественно 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. Технический результат - повышение точности приема радиосигналов. Для этого на объекте регистрируют моменты времени приема радиосигналов, передаваемых с шести радиомаячных пунктов, фазовые центры антенн которых расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют посредством косвенного измерения с использованием предложенных простых выражений, зависящих от измеренных разностей между временами приемов радиосигналов с пунктов. Способ включает выбор из трех вариантов измерения координат объекта в каждой точке пространства наилучший по точности, что позволяет получить осесимметричную зону действия реализующих его систем и существенно увеличивает ее объем. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, и измерения информационных параметров, соответствующих радиосигналам и упомянутым объектам, от источников радиосигналов, передаваемых наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах 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 радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, регистрируют моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы, отличающийся тем, что наземная пунктовая передающая система выполнена с шестью пунктами передачи, упорядоченными заданным образом, причем в первой группе из трех пунктов передачи преимущественно ненаправленными передающими 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 передачи 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=-2a; Y₅=a; Y₆=a, где a и b - заданные положительные числа, передают упорядоченно серии из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов, а на объекте по принятым радиосигналам производят преимущественно три группы измерений разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов с i-х пунктов и временами приемов радиосигналов с j-х пунктов передающей системы, причем в первой группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-х пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1, во второй группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j для i-х пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, в третьей группе измерений производят упомянутые измерения Δt_i,j 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=cΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигнала, через параметры с размерностью длины l_j, w_j, u_j, p_j, s_j, где j принимает значения 1, 2, 3, определяемые через указанные d_i,j в соответствии с выражениями l₁=d_6,1, w₁=d_5,l, u₁=d_3,1, р₁=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, w₃=d_6,3, u₃=d_2,3, p₃=d_1,3, s₃=d_5,3, для каждой упомянутой j-й группы измеряют безразмерные параметры M_j и параметры с размерностью длины N_j в соответствии с выражениями M_j=(l_j-w_j)/a-(u_j-p_j)/b; по совокупностям параметров l_j, w_j, u_j, p_j и M_j, N_j измеряют безразмерные параметры A_j, B_j, C_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 M_j и совокупности параметров A_j, B_j, C_j, D_j для каждой упомянутой j-й группы преимущественно измеряют параметр по измеренным K_j идентифицируют группу измерений и соответствующий ей индекс j=j_m, для которой параметр K_j минимальный, и для найденного таким образом значения индекса j=j_m и через параметры M_j и N_j измеряют дальность от объекта до пункта передачи с индексом j=j_m, по и совокупностям параметров , 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, а при необходимости обеспечивают заданные задержки по времени между указанными сериями радиосигналов, не обязательно одинаковыми от серии к серии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и с задержками между указанными сериями, превышающими максимальное из значений с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов, а измерение разностей Δt_i,j между временами приемов радиосигналов с i-х пунктов и временами приемов радиосигналов с j-х пунктов передающей системы производят с учетом времен соответствующих задержек.