СПОСОБ ОДНОПОЗИЦИОННОЙ РАДИОЛОКАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ДОРОЖНОЙ СЕТИ Российский патент 2014 года по МПК G01S5/00 

Объектом изобретения является способ однопозиционной радиолокации подвижных объектов - источников радиосигнала на дорожной сети. Предлагаемый способ относится к области радиолокации и радионавигации, поскольку класс задач такого типа лежит в основе определения оценок местоположения объектов.

Известен способ радиолокации объектов - источников радиосигнала на плоскости [1]. Его недостатком является необходимость измерения углов прихода электромагнитных волн (пеленгов) из двух разнесенных в пространстве измерительных пунктов, положение которых известно. Такой способ не обеспечивает однозначного определения оценки местоположения в случае выхода из строя одного из пеленгаторов.

Известен также способ радиолокации объектов - источников радиосигнала на плоскости [2], заключающийся в измерении углов прихода электромагнитных волн (пеленгов) из двух разнесенных в пространстве измерительных пунктов, положение которых известно, определении координат местоположения объекта как точки пересечения линий положения, соответствующих измеренным пеленгам. Он также ориентирован на обязательное использование двух разнесенных пеленгаторов радиоизлучения и теряет свою работоспособность при выходе из строя одного из них.

Цель изобретения: обеспечение возможности однозначного местоопределения подвижного объекта, привязанного к дорожной сети (априорное описание которой задается, например, в виде электронной карты), на основе измерения на одном измерительном пункте:

- пеленга объекта по его электромагнитному излучению в момент времени t;

- пеленга объекта по его электромагнитному излучению в момент времени (t+Δt);

автономного измерения скорости перемещения объекта вдоль дороги в момент времени t; кодирования сигнала, пропорционального измеренной скорости; передачи полученного кода по радиоканалу передачи данных на измерительный пункт, на котором после приема и декодирования получают значение измеренной скорости.

Сущность изобретения состоит в следующем. Каждый элемент дорожной сети описывают параметрической зависимостью (Фиг.1)

$$x_1=F_1^i\left(e\right),x_2=F_2^i\left(e\right),i=\overline{\mathrm{1,}I},\left(1\right)$$

где I - количество элементов дорожной сети; e - имеет смысл натурального параметра или длины пути [3-6].

К форме (1) можно приближенно перейти, если описание элементов дорожной сети задано в виде массивов

$$\left\{X_r^i,r=\overline{\mathrm{0,}{M}_i}\right\},{\left(X_r^i\right)}^T=\left[\begin{array}{cc}{x}_{1r}^i& x_{2r}^i\end{array}\right],\left(2\right)$$

используемых, в частности, при формировании электронных карт. В этом случае

$$e_{ir}={\displaystyle \sum {}_{m=0}^r\sqrt{{\left(\Delta X_m^i\right)}^T\left(\Delta X_m^i\right)}},e_{i0}=\mathrm{0,}\left(3\right)$$

где

$$\Delta X_r^i=X_r^i-X_{r-1}^i,r=\overline{\mathrm{1,}{M}_i}.\left(4\right)$$

Из (2), (3) следует дискретный аналог (1)

$$\left\{X_r^i,e_{ir},r=\overline{\mathrm{0,}{M}_i},i=\overline{\mathrm{1,}I}\right\},\left(5\right)$$

на основании которого возможно приближенное представление (1).

Для каждого элемента дорожной сети рассчитывают зависимость значений пеленга от натурального параметра

$${\alpha }^i\left(e\right)=arctg\left[\frac{F_2^i\left(e\right)-x_{2un}}{F_1^i\left(e\right)-x_{1un}}\right],i=\overline{\mathrm{1,}I},\left(6\right)$$

где x_1un, x_2un - координаты измерительного пункта.

Соотношения (6) составляют преобразованные априорные данные о структуре дорожной сети в привязке к измерительному пункту. Отметим, что характеристики (6) являются уникальными и каждая из них описывает соответствующий элемент дорожной сети.

Проводимые измерения:

- α_изм(t), α_изм(t+Δt) - пеленги объекта в моменты времени соответственно t и (t+Δt), определяемые из одной пространственной точки, в которой расположен измерительный пункт;

- ν_изм - скорость перемещения объекта вдоль дороги, величина которой на [t,t+Δt], полагается неизменной.

Отметим, что пеленги α_изм(t), α_изм(t+Δt) определяют на измерительном пункте по сигналу, излучаемому объектом и содержащему его опознавательный код, скорость определяют на объекте, а пропорциональный ей сигнал кодируют и полученный код передают по радиоканалу передачи данных на измерительный пункт, на котором после приема и декодирования определяют значение измеренной скорости.

По измеренному пеленгу α_изм(t) из решения уравнений

$${\alpha }^i\left(e\right)={\alpha }_{изм}\left(t\right),i=\overline{\mathrm{1,}I}\left(7\right)$$

для элементов дорожной сети определяют множество корней

$$e_i^{*}\left(t\right)=e_i^{*},i=\overline{\mathrm{1,}I},\left(8\right)$$

соответствующих множеству оценок возможного местоположения объекта

$$x_{1i}^{*}=F_1^i\left(e_i^{*}\right),x_{2i}^{*}=F_2^i\left(e_i^{*}\right),i=\overline{\mathrm{1,}I}\left(9\right)$$

Координаты (9) определяют точки пересечения линии положения пеленгатора, соответствующей пеленгу α_изм(t), и элементов дорожной сети (Фиг.1).

Такая множественность оценок местоположения, в частности, имеет место, если в двухпунктной пеленгационной системе, реализующей известный способ локации, один из пеленгаторов выходит из строя.

Покажем, что измерение скоростного параметра ν_изм(t)=ν_изм дает возможность сделать оценку местоположения однозначной. После кодирования сигнала, пропорционального ν_изм, передачи полученного кода по радиоканалу передачи данных от объекта на измерительный пункт, приема и декодирования определяют:

- значение приращения натурального параметра или путь, пройденный объектом за время Δt

$$\Delta e={\nu }_{изм}\Delta t;\left(10\right)$$

- множество возможных значений пеленга, соответствующих моменту времени (t+Δt)

$${\alpha }_{\Delta }^i={\alpha }^i\left(e_i^{*}+\Delta e\right)\left(11\right)$$

Отметим, что для различных элементов дорожной сети зависимости (6) являются различными. Таким образом, значения (11) будут отличаться друг от друга.

Принятие решения о местоположении объекта осуществляют в результате сравнения возможных для каждого элемента дорожной сети значений пеленгов, определяемых из (11), и измеренного значения пеленга α_изм(t+Δt), идентифицированного по опознавательному коду с объектом,

$$i^{*}=\arg {\min }_{i=\overline{\mathrm{1,}I}}\left\{{\left({\alpha }_{изм}\left(t+\Delta t\right)-{\alpha }_{\Delta }^i\right)}^2\right\}.\left(12\right)$$

Таким образом, оценку местоположения объекта определяют как

$$x_1^{*}=F_1^{i*}\left(e_{i*}^{*}\right),x_2^{*}=F_2^{i*}\left(e_{i*}^{*}\right).\left(13\right)$$

Необходимо отметить, что автономное измерение (измерения ν_изм) с последующим кодированием сигнала, пропорционального ν_изм, передачей полученного кода по радиоканалу передачи данных на измерительный пункт носит фрагментарный характер и проводят лишь в начале процесса сопровождения объекта и после того как объект минует какую-либо точку пересечения элементов дорожной сети. Как только задача различения оказывается решенной (определен элемент дорожной сети, на котором находится объект), дальнейшее сопровождение может проводиться лишь по результатам измерений пеленга.

Сравнительный анализ заявляемого способа и известного способа локации местоположения объекта на плоскости.

1. Измерение пеленгов в заявляемом способе осуществляют из одной пространственной точки, в которой располагается измерительный пункт, тогда как в известном способе пеленгаторов два и они разнесены по пространству.

2. Измерение пеленгов в заявляемом способе проводят одним пеленгатором для двух моментов времени по сигналам, содержащим опознавательный код объекта, тогда как в известном способе измерения проводят одновременно двумя пеленгаторами.

3. В заявляемом способе дополнительно проводят автономное измерение скорости перемещения объекта вдоль дороги.

4. В заявляемом способе сигнал, пропорциональный измеренной скорости, кодируют и полученный код передают по радиоканалу передачи данных на измерительный пункт, на котором после приема и декодирования определяют значение измеренной скорости.

5. В заявляемом способе задействована априорная информация о структуре дорожной сети, представленная, например, в виде электронных карт.

Рассмотрим пример.

Пусть I=2 и $$F_1^1\left(e\right)=\frac{e\sqrt{2}}{2}$$ , $$F_2^1\left(e\right)=\frac{e\sqrt{2}}{2}$$ , $$F_1^2\left(e\right)=\frac{e\sqrt{5}}{5}$$ , $$F_2^2\left(e\right)=\frac{e2\sqrt{5}}{5}$$ (фиг.2).

На Фигуре 2 через Д1 и Д2 обозначены соответственно первый и второй элементы дорожной сети.

Очевидно, что приведенное описание удовлетворяет условию [3]

$$\left\{{\left(\frac{d{F}^i}{de}\right)}^T\left(\frac{d{F}^i}{de}\right)\right\}=1$$ , $$i=\overline{\mathrm{1,2}}$$ , то есть е является натуральным параметром.

Координаты измерительного пункта определим как X_1un=g=7000, x_2un=0 (здесь и далее параметры приведены в безразмерных единицах).

Тогда в соответствии с (6)

$${\alpha }^1\left(e\right)=arctg\left[\frac{e}{e-g\sqrt{2}}\right],{\alpha }^2\left(e\right)=arctg\left[\frac{2e}{e-g\sqrt{5}}\right].\left(14\right)$$

Предположим, что в результате проведенных измерений получены следующие данные: $${\alpha }_{изм}\left(t\right)=\frac{3}{4}\pi$$ , ν_изм=10. Откуда в соответствии с (8)

$$e_1^{*}=\frac{\sqrt{2}}{2}g$$ , $$e_2^{*}=\frac{\sqrt{5}}{3}g$$ .

Тогда из (10) следует, что

$$\Delta e=10\Delta t\left(15\right)$$

и

$$a_{\Delta }^i=a^i\left(e_i^{*}+10\Delta t\right).\left(16\right)$$

Графики зависимостей (14) представлены на Фиг.3. Принятие решения осуществляется в соответствии с (12). Например, если Δt=10 и при измерении получен результат α_изм(t+Δt)=2.4 (Фиг.3.), то i*=2, а координаты местоположения для t определяются из (13) в соответствии с соотношениями $${\overline{x}}_1\left(t\right)=\frac{g}{3}$$ , $${\overline{x}}_2\left(t\right)=\frac{2}{3}g$$ .

Структурная схема устройства, реализующего способ однопозиционной радиолокации подвижных объектов на дорожной сети, представлена на Фиг.4.

На Фиг.4 использованы следующие обозначения: 1 - подвижный объект, включающий 1₁ - блок измерения скорости (спидометр) и 1₂ - блок кодирования и передачи радиосигналов; 2 - блок приема радиосигналов и декодирования - пеленгатор; 3 - усилитель с коэффициентом усиления k_y=Δt ; 4 - блок определения значений натурального параметра, соответствующих точкам пересечения линии положения пеленгатора и элементов дорожной сети; 5 - блок суммирования; 6 - блок определения возможных значений пеленга; 7 - блок сравнения; 8 - блок выбора значения натурального параметра; 9 - блок оценки координат местоположения.

На объекте 1 в блоке измерения скорости 1₁ осуществляют измерение скорости перемещения объекта вдоль элемента дорожной сети. Результат измерения с выхода блока 1₁ передают на вход блока кодирования и передачи радиосигналов 1₂. Далее с выхода блока 1₂ радиосигнал, содержащий код скорости перемещения объекта вдоль элемента дорожной сети, по радиоканалу передачи данных передается на вход блока 2 приема радиосигналов и декодирования - пеленгатора. Блок 1₂ обеспечивает излучение радиосигнала непрерывно, поддерживая функционирование радиоканала. В блоке 2 на основании обработки с учетом опознавательного кода объекта осуществляют выделение сигнала, пропорционального измеренной на объекте скорости, и определяются значения пеленгов α_изм(t+Δt), α_изм(t) объекта. Сигнал, пропорциональный α_изм(t), с выхода 2₂ подают на вход блока 4 определения значений натурального параметра, соответствующих точкам пересечения линии положения пеленгатора и элементов дорожной сети. Функционирование бока 4 осуществляется в соответствии с (6)-(8). Выход 2₃ блока 2 связан со входом усилителя 3, на выходе которого, в свою очередь, в соответствии с (10) формируется сигнал, пропорциональный оценке пройденного за Δt пути. Сигнал, пропорциональный оценке пройденного за Δt пути, с выхода блока 3 подают на вход 5₀ блока 5 суммирования. В блоке 5 оценку пройденного пути суммируют со значениями натурального параметра, которые с выходов 4₁…4_I блока 4 подают на входы 5₁…5_I блока 5. Прогнозируемые значения натуральных параметров для каждого элемента дорожной сети с выходов 5_I+1…5_2I поступают соответственно на входы 6₁…6_I блока 6 определения возможных значений пеленга. Возможные для каждого элемента дорожной сети значения пеленга для t+Δt рассчитывают в соответствии с (6), (11) и с выходов 6_I+1…6_2I блока 6 поступают на входы блока 7 сравнения. В блоке 7 возможные для каждого элемента дорожной сети значения пеленга сравнивают с измеренным значением пеленга α_изм(t+Δt) объекта, соответствующего установленному опознавательному коду, поступающим на вход 7₀ блока 7 с выхода 2₁ блока 2. Сравнение осуществляют в соответствии с правилом (12). Его результатом является сигнал, пропорциональный индексу элемента дорожной сети, на котором находится объект. Этот сигнал поступает на входы 8₀, 9₀ соответственно блока 8 выбора значения натурального параметра и блока 9 оценки координат местоположения. В блоке 8 из значений натурального параметра, поступающих на входы 8₁…8_I с выходов 4₁…4_I блока 4, проводят выбор такого его значения, которое соответствует определенному в блоке 7 индексу. Сигнал, пропорциональный выбранному значению натурального параметра с выхода блока 8, поступает на вход 9₁ блока 9. В блоке 9 в соответствии с (13) проводят определение координат местоположения объекта.

Источники информации

1. Радиотехнические системы / под ред. Ю.М. Казаринова. М.: Академия.

2. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы. М.: Радио и связь. 1986.

3. Дубровин Б.А., Новиков С.П., Фоменко А.Т. Современная геометрия: Методы и приложения. М.: Наука, 1986. 760 с.

4. Хуторцев В.В. Принципы пространственно-дифференциальной фильтрации параметров траекторий объектов, движущихся вдоль одномерных многообразий // Радиотехника и электроника. 1993. Т.38. №6. С.1026-1036.

5. Хуторцев В.В. Пространственно-дифференциальная фильтрация марковских процессов на одномерных стохастических многообразиях // Автоматика и телемеханика. 1994. Т.8. №6. С.117-125.

6. Хуторцев В.В. Принципы пространственно-дифференциальной адаптивной фильтрации марковских процессов на одномерных многообразиях // Радиотехника и электроника. 1994. Т.39. №8. С.1637-1646.

Способ предназначен для определения оценок местоположения объектов на дорожной сети (ДС). Достигаемый технический результат - обеспечение возможности однозначного определения подвижного объекта, привязанного к ДС. Сущность изобретения состоит в следующем. Измеряют угол прихода электромагнитной волны (пеленг) α_изм(t) от объекта из одного измерительного пункта (ИП), положение которого известно, при этом сигналы, излучаемые объектом, содержат его опознавательный код. Одновременно с излучением сигнала на объекте измеряют скорость ν_изм его перемещения вдоль элемента дорожной сети (ЭДС). Сигнал, пропорциональный измеренной скорости, кодируют и полученный код передают по радиоканалу передачи данных на ИП, на котором после приема и декодирования получают значение измеренной скорости. Через интервал времени длительностью Δt повторно измеряют пеленг α_изм(t+Δt), идентифицируя его по опознавательному коду объекта. Определяют длину пройденного пути Δe=Δtν_изм за время Δt. По измеренному пеленгу α_изм(t) и параметрическим моделям пеленга αⁱ(e),, заданным в функции натурального параметра, для каждого ЭДС определяют значения натурального параметра , , соответствующие точкам пересечения линии положения для измеренного пеленга α_изм(t) и ЭДС. Для каждого из этих элементов определяют возможные значения пеленгов , , соответствующие перемещению объекта на расстояние Δe, и из условия минимального рассогласования между ними и повторно измеренным пеленгом α_изм(t+Δt) определяют номер i* ЭДС, на котором находится объект. Определяют координаты местоположения объекта как координаты точки пересечения линии положения, соответствующей измеренному пеленгу (α_изм(t) или α_изм(t+Δt)) и i*-го ЭДС. 4 ил.

Способ однопозиционной радиолокации подвижных объектов на дорожной сети, заключающийся в измерении угла прихода электромагнитной волны (пеленга) α_изм(t) от объекта из одного измерительного пункта, положение которого известно, отличающийся тем, что сигналы, излучаемые объектом, содержат его опознавательный код, одновременно с излучением сигнала на объекте измеряют скорость ν_изм его перемещения вдоль элемента дорожной сети, сигнал, пропорциональный измеренной скорости, кодируют и полученный код передают по радиоканалу передачи данных на измерительный пункт, на котором после приема и декодирования получают значение измеренной скорости, через интервал времени длительностью ∆t повторно измеряют пеленг α_изм(t+∆t), идентифицируя его по опознавательному коду объекту, определяют длину пройденного пути ∆e=∆tν_изм за время ∆t, по измеренному пеленгу α_изм(t) и параметрическим моделям пеленга αⁱ(e), $$i=\overline{\mathrm{1,}I}$$ , заданным в функции натурального параметра для каждого элемента дорожной сети, определяют значения натурального параметра $$e_i^{*}$$ , $$i=\overline{\mathrm{1,}I}$$ , соответствующие точкам пересечения линии положения для измеренного пеленга α_изм(t) и элементов дорожной сети, для каждого из этих элементов определяют возможные значения пеленгов $${\alpha }^i\left(e_i^{*}+\Delta e\right)$$ , $$i=\overline{\mathrm{1,}I}$$ , соответствующие перемещению объекта на расстояние ∆e, и из условия минимального рассогласования между ними и повторно измеренным пеленгом α_изм(t+∆t) определяют номер i* элемента дорожной сети, на котором находится объект, определяют координаты местоположения объекта как координаты точки пересечения линии положения, соответствующей измеренному пеленгу (α_изм(t) или α_изм(t+∆t)) и i*-го элемента дорожной сети.