СПОСОБ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НА ОБЪЕКТАХ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/00 

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 ЛА и их компонентов на полигонах для обеспечения работы измерительных систем, рационально размещенных на испытательной трассе, и формирования автоматизированного комплекса обработки принятых радиосигналов и разработки 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.

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.: Машиностр., 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, 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 синхронизировано наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах точках преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ₁, ξ₂, ξ₃) с началом координат в заданной точке О, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ₁, ξ₂), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ₃ с землей, при котором, принимая радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, синхронизировано регистрируют моменты времени приема радиосигналов, например по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между моментами времен 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 совокупности предлагаемых в способе 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 синхронизировано наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах точках преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ₁, ξ₂, ξ₃) с началом координат в заданной точке О, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ₁, ξ₂), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ₃ с землей, в котором, принимая радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, синхронизировано регистрируют моменты времени приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между моментами времен приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая передающая система выполнена с шестью пунктами передачи, упорядоченными заданным образом, в каждом из которых преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке О с заданными координатами вершин (r₁; 0; 0), (-r₁; 0; 0), (0; r₂; 0), (0; -r₂; 0), (0; 0; r₃), (0; 0; -r₃), где r₁, r₂, r₃ - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ₁, ξ₂, ξ₃, при этом значение полуоси r₃ задано меньшим упомянутой высоты Н, передают упорядочение серии из шести упорядочение передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу в серии с каждого пункта соответственно, при необходимости с заданными, необязательно одинаковыми, задержками по времени между радиосигналами и с заданным временем передачи серии, необязательно одинаковым от серии к серии, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов, а на объекте по принятым радиосигналам производят соответственно индексу j шесть групп измерений разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта путем измерений разностей Δt_i,j между моментами времен приемов радиосигналов с i-тых пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей системы с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-тых пунктов относительно радиосигналов с j-тых пунктов, при этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6, по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt_i,j через имеющие размерность длины параметры d_i,j=сΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-той из шести упомянутых групп трижды измеряют дальности D_i,κ в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3, от объекта до соответствующих j-тых пунктов передачи в соответствии с выражением , где индекс k₁=(k²-3k+4)/2 и индекс k₂=(5k-k²)/2, безразмерный множитель , а безразмерные коэффициенты A_m,k соответственно равны A_0,k=(9k²-45k+36)/2, A_1,k=-(39k²-180k+126)/4, А_2,k=(49k²-214k+134)/8, A_3,k=-(6k²-25k+14)/4, A_4,k=(k²-4k+2)/8, и через них измеряют преимущественно пространственные координаты объекта, при этом в каждой упомянутой серии радиосигналов каждую из координат объекта измеряют шестикратно в соответствии с выражением , где индекс i=j+3θ_n,j, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ_n,j=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ_n,j=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ_n,j=(9-2j)/3, производят совокупность заданного числа М следующих подряд серий с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен передачи входящих в нее М серий, производят преимущественно измерения статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно измеряемой в серии, по всей совокупности М серий, в том числе математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий, при этом каждую из координат в заданный момент времени из длительности времени передачи совокупности М серий измеряют преимущественно как одно из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты, из предыдущей совокупности исключают первую серию и включают серию, следующую за последней серией предыдущей совокупности, и в последующих совокупностях полученных таким образом из М серий повторяют все указанные действия в упомянутом порядке, а при необходимости по измеренным в заданные моменты времени значениям координат измеряют другие параметры движения объекта.

Кроме того, при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками по времени между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, преимущественно превышающими значение l_max/с, где l_max - расстояние между наиболее удаленными друг от друга фазовыми центрами передающих антенн передающих пунктов, с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли 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.

Радиосигналы наземной пунктовой передающей системы передают с антенн, фазовые центры которых находятся в заданных и известных на объектах точках преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ₁, ξ₂, ξ₃) с началом координат в заданной точке О, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ₁, ξ₂), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ₃ с землей. На приемнике объекта принимают радиосигналы от источников радиосигналов, идентифицируют их соответствующим пунктам, синхронизировано регистрируют моменты приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей подсистемы.

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. Радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке О с заданными координатами вершин (r₁; 0; 0), (-r₁; 0; 0), (0; r₂; 0), (0; -r₂; 0), (0; 0; r₃), (0; 0; -r₃), где r₁, r₂, r₃ - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ₁, ξ₂, ξ₃, причем значение полуоси r₃ задано меньшим упомянутой высоты Н.

При этом передают упорядочение серии из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу в серии с каждого пункта соответственно, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов. Радиосигналы передают при необходимости с заданными, необязательно одинаковыми задержками по времени между ними и с заданным временем передачи серии, необязательно одинаковым от серии к серии. На объекте по принятым радиосигналам производят соответственно индексу j шесть групп измерений разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта путем измерений разностей Δt_i,j между моментами времен приемов радиосигналов с i-тых пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей системы с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-тых пунктов относительно радиосигналов с j-тых пунктов. При этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6. По совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt_i,j через имеющие размерность длины параметры d_i,j=cΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-той из шести упомянутых групп трижды (в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3) измеряют дальности D_j,k от объекта до соответствующих j-тых пунктов передачи в соответствии с выражением . Здесь индекс k₁=(k²-3k+4)/2 и индекс k₂=(5k-k²)/2, безразмерный множитель , а безразмерные коэффициенты А_m,k соответственно равны A_0,k=(9k²-45k+36)/2, A_1,k=-(39k²-180k+126)/4, А_2,k=(49k²-214k+134)/8, A_3,k=-(6k²-25k+14)/4, A_4,k=(k²-4k+2)/8. Затем измеряют преимущественно пространственные координаты объекта в соответствии с выражением , где индекс i=j+3θ_n,j, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ_n,j=(5-2j)/3, при n=1 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ_n,j=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ_n,j=(9-2j)/3. При этом в каждой упомянутой серии радиосигналов каждую из координат объекта измеряют шестикратно. Производят передачу совокупности заданного числа М следующих подряд серий с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен передачи входящих в нее М серий. При этом производят преимущественно измерения статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно измеряемой в серии, по всей совокупности М серий, в том числе математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий [Б.Ф.Жданюк. Основы статистической обработки траекторных измерений - М.: Сов. радио, 1978, 384 с.]. Каждую из координат измеряют в заданный момент времени (из длительности времени передачи совокупности М серий) преимущественно как одну из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты. Этим обеспечивают более высокую точность измерений координат объекта, производимых в каждой точке пространства. Затем из предыдущей совокупности исключают первую серию и включают серию, следующую за последней серией предыдущей совокупности, и в последующих совокупностях, полученных таким образом из М серий, повторяют все указанные действия в упомянутом порядке. При необходимости по измеренным в заданные моменты времени значениям координат измеряют другие параметры движения объекта.

Также при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками по времени между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и с задержками между указанными сериями, преимущественно превышающими значение l_max/c, где l_max - расстояние между наиболее удаленными друг от друга фазовыми центрами передающих антенн передающих пунктов, с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов.

Способ позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать зоны с погрешностью в зоне, не превышающей заданной 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.

Для заявляемого способа на фигурах 1…4 ограничимся примером определения зон, обозначенных светлым тоном, внутри которых и на их границах среднеквадратические ошибки измерения значений координаты ξ₃ в плоскости (O′, ξ₁, ξ₂), расположенной на высоте движения объекта OO′, равной 1000 метров (ξ₃=1000 м), не превышают заданного значения 10 метров. Заданы высота H=20 метров, значения r₁=300 м, r₂=700 м, r₃=15 м. Прямоугольником обозначен размер и ориентация взлетно-посадочной полосы условного аэродрома, значками обозначены расположения фазовых центров антенн передающих пунктов. На фиг.1 представлена указанная зона при упомянутом индексе k=1 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.2 - соответственно при индексе k=2 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.3 - соответственно при индексе k=3 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6. На фиг.4 представлена указанная зона для общей композиции, объединяющей указанные композиции, соответствующие фиг. 1, 2 и 3, в которой координату ξ₃ определяют в заданный момент времени преимущественно как одну из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное измерение пространственных координат объекта с заданной точностью,

- может быть реализован с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники,

- обеспечивает эффективное использование радиочастотного спектра,

- позволяет одновременно обслуживать несколько объектов,

- позволяет варьировать конфигурацию указанной зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи и особенностей рельефа окружающей местности.

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 и может использоваться преимущественно для однозначного определения пространственных координат объекта, в том числе в системах навигации и посадки летательных аппаратов. Технический результат - повышение эффективности определения координат соответствующих радиотехнических комплексов, возможность варьирования конфигурации зоны их действия в зависимости от поставленной задачи и особенностей рельефа окружающей местности. Для этого на объекте регистрируют моменты времени приема радиосигналов, передаваемых с шести пунктов наземной передающей системы, фазовые центры антенн которой расположены определенным образом. Координаты определяют посредством косвенного измерения с использованием предложенных простых выражений. Высокая точность достигается, в том числе, благодаря возможности выбора из совокупности предлагаемых в способе вариантов измерения координат объекта в каждой точке пространства, наилучшего по точности. 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 синхронизировано наземной пунктовой передающей системой, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой находятся в заданных и известных на объектах точках преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ₁, ξ₂, ξ₃) с началом координат в заданной точке О, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ₁, ξ₂), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ₃ с землей, при котором, принимая радиосигналы от источников радиосигналов и идентифицируя их соответствующим пунктам, синхронизировано регистрируют моменты времени приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между моментами времен приемов радиосигналов с разных пунктов передающей системы, отличающийся тем, что наземная пунктовая передающая система выполнена с шестью пунктами передачи, упорядоченными заданным образом, в каждом из которых преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке О с заданными координатами вершин (r₁; 0; 0), (-r₁; 0; 0), (0; r₂; 0), (0; -r₂; 0), (0; 0; r₃), (0; 0; -r₃), где r₁, r₂, r₃ - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ₁, ξ₂, ξ₃, при этом значение полуоси r₃ задано меньшим упомянутой высоты H, передают упорядоченно серии из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу в серии с каждого пункта соответственно, при необходимости с заданными необязательно одинаковыми задержками по времени между радиосигналами и с заданным временем передачи серии, необязательно одинаковым от серии к серии, преимущественно обеспечивая экранирование отраженных от земли радиосигналов, а на объекте по принятым радиосигналам производят соответственно индексу j шесть групп измерений разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта путем измерений разностей Δt_i,j между моментами времен приемов радиосигналов с i-х пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-х пунктов передающей системы с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-х пунктов относительно радиосигналов с j-х пунктов, при этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6, по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt_i,j через имеющие размерность длины параметры d_i,j=cΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-й из шести упомянутых групп трижды измеряют дальности D_j,k в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3, от объекта до соответствующих j-х пунктов передачи в соответствии с выражением ,
где индекс k₁=(k²-3k+4)/2 и индекс k₂=(5k-k²)/2, безразмерный множитель , а безразмерные коэффициенты A_m,k соответственно равны A_0,k=(9k²-45k+36)/2, A_1,k=-(39k²-180k+126)/4, А_2,k=(49k²-214k+134)/8, A_3,k=-(6k²-25k+14)/4, A_4,k=(k²-4k+2)/8, и через них измеряют преимущественно пространственные координаты объекта, при этом в каждой упомянутой серии радиосигналов каждую из координат объекта измеряют шестикратно в соответствии с выражением ,
где индекс i=j+3θ_n,j, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ_n,j=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ_n,j=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ_n,j=(9-2j)/3, производят совокупность заданного числа М следующих подряд серий с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен передачи входящих в нее М серий, производят преимущественно измерения статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно измеряемой в серии, по всей совокупности М серий, в том числе математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий, при этом каждую из координат в заданный момент времени из длительности времени передачи совокупности М серий измеряют преимущественно как одну из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты, из предыдущей совокупности исключают первую серию и включают серию, следующую за последней серией предыдущей совокупности, и в последующих совокупностях полученных таким образом из М серий повторяют все указанные действия в упомянутом порядке, а при необходимости по измеренным в заданные моменты времени значениям координат измеряют другие параметры движения объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при передаче радиосигналов пунктами передающей системы на одной частоте радиосигналы передают с задержками по времени между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, преимущественно превышающими значение l_max/с, где l_max - расстояние между наиболее удаленными друг от друга фазовыми центрами передающих антенн передающих пунктов, с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов.