СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ОШИБКИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТА С ЦЕЛЬЮ ВЫВОДА ЕГО НА ЗАДАННУЮ ТОЧКУ Российский патент 2015 года по МПК G01S1/16 

Изобретение относится к радионавигационным системам и может быть использовано в системах обеспечения посадки летательных аппаратов, в том числе беспилотных, а также в системах обеспечения судовождения. Кроме того, изобретение может быть использовано для обеспечения автоматического возвращения пожарного или иного робота, для обеспечения прицельного десантирования людей или грузов, для обеспечения прицельного сброса воды при тушении пожаров.

Известны способы формирования сигнала ошибки, применяемые в радиотехнических системах посадки самолетов для обеспечения движения самолета по заданной траектории снижения и приземления {Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы. М.: Радиотехника, 2011, - с.159-181}.

Для реализации известных способов летательный аппарат (ЛА) облучают радиосигналами, на борту ЛА сигналы принимают и преобразуют в сигналы угловых отклонений от заданной траектории. Параметры сигналов, содержащие информацию об угловых отклонениях ЛА, формируют с помощью специальных антенн радиомаяков. Обычно радиотехническая система посадки состоит из двух независимых каналов (курсового и глиссадного).

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является равносигнальный способ определения отклонений от заданной траектории движения {Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы. М.: Радиотехника, 2011, - с.161-170}. Этот способ применяется в каждом из двух (курсовом и глиссадном) каналов.

В частности, для управления движением ЛА по курсу используют расположенный на оси взлетно-посадочной полосы курсовой равносигнальный радиомаяк.

Формируют два амплитудно-модулированных сигнала с одинаковой несущей частотой, отличающиеся частотами модуляции F₁ и F₂. Для этих двух сигналов формируют две неподвижные пересекающиеся диаграммы направленности антенной системы радиомаяка. Равносигнальное направление радиомаяка, соответствующее точке пересечения диаграмм направленности, направляют по линии курса, то есть по оси взлетно-посадочной полосы. ЛА облучают с помощью антенной системы двумя амплитудно-модулированными сигналами. На борту ЛА сигналы радиомаяка принимают и детектируют. Сигнал отклонения от линии курса (сигнал ошибки) формируют в зависимости от разности амплитуд полученных в результате детектирования сигналов частот F₁ и F₂.

Недостатком известного равносигнального способа является необходимость использования высоконаправленных антенных систем. Это приводит к значительным габаритам антенных систем, значительной их массе, к необходимости применения громоздких несущих конструкций и фундаментов для них, а также к невозможности быстрого развертывания антенной системы.

Изобретение направлено на решение задачи формирования сигналов ошибки при обеспечении вывода объекта на заданную точку без применения высоконаправленных антенн, что обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик системы и существенное сокращение сроков ее развертывания.

Формирование сигнала ошибки при управлении движением объекта с целью вывода объекта на заданную точку происходит следующим образом.

Формируют два основных сигнала неравных частот.

Дополнительно формируют сигнал модуляции путем преобразования основных сигналов в сигнал разностной частоты.

Сигналом модуляции модулируют сигнал дополнительного начальное значение разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала.

В последующие моменты определяют текущие значения разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала и формируют сигналы ошибки в зависимости от отклонений текущих значений разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала от начального значения разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала.

Пример реализации предлагаемого способа описан со ссылками на фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4.

На фиг.1 представлена векторная диаграмма, позволяющая определить пространственное расположение линий равных разностей фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала. На фиг.1 используются следующие обозначения:

1 - передающая антенна первого радиомаяка, излучающая сигнал частоты ω₁;

2 - передающая антенна второго радиомаяка, излучающая сигнал частоты ω₂;

3 - антенна дополнительного радиопередающего устройства;

4 - точка, вблизи которой должна пройти траектория движения объекта управления (заданная точка);

5 - объект управления;

r₁, r₂ - векторы, начала которых находятся в точках расположения антенн первого и второго радиомаяков, а концы - в точке расположения объекта управления;

β - угол между векторами r₁ и r₂;

r₃ - вектор, начало которого находится в точке расположения антенны дополнительного радиопередающего устройства, а конец - в точке расположения объекта управления;

$$r_1^0$$ , $$r_2^0$$ , $$r_3^0$$ - орты векторов r₁, r₂, r₃.

На фиг.2 приведен вариант функциональной схемы формирования сигналов радиомаяков и сигнала дополнительного радиопередающего устройства. На фиг.2 используются следующие обозначения:

1 - передающая антенна первого радиомаяка, излучающая сигнал частоты ω₁;

2 - передающая антенна второго радиомаяка, излучающая сигнал частоты ω₂;

3 - антенна дополнительного радиопередающего устройства;

6 - синтезатор частот основных сигналов;

7 - сумматор;

8 - амплитудный детектор;

9 - дополнительное радиопередающее устройство;

10 - первый радиомаяк;

11 - второй радиомаяк.

На фиг.3 приведен вариант функциональной схемы бортовой части системы формирования сигнала ошибки. На фиг.3 используются следующие обозначения:

12 - приемник основных сигналов;

13 - антенна приемника основных сигналов;

14 - амплитудный детектор;

15 - приемник сигнала дополнительного радиопередающего устройства;

16 - антенна приемника сигнала дополнительного радиопередающего устройства;

17 - демодулятор;

18 - цифровой определитель разности фаз;

19 - запоминающее устройство;

20 - сумматор;

21 - формирователь сигнала ошибки.

На фиг.4 показаны траектория движения объекта управления и линии равных разностей фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала. На фиг.4 используются следующие обозначения:

4 - точка, вблизи которой должна пройти траектория движения объекта управления (заданная точка);

22 - траектория движения объекта управления;

23 - точка расположения антенны первого радиомаяка;

24 - точка расположения антенны второго радиомаяка;

25 - линия равных фаз, проходящая через начальную точку (точку расположения объекта управления в момент начала управления);

26 - начальная точка;

27 - точка расположения антенны дополнительного радиопередающего устройства;

V₀ - вектор скорости объекта управления в момент начала управления.

Формирование сигнала ошибки происходит следующим образом.

Первый радиомаяк, антенна 1 которого (фиг.1) излучает основной сигнал частоты ω₁, второй радиомаяк, антенна 2 которого излучает основной сигнал частоты ω₂, и дополнительное радиопередающее устройство, антенна 3 которого излучает модулированный сигнал, располагают вблизи заданной точки 4.

Формирование основных сигналов может производиться в синтезаторе частот 6, как показано на фиг.2.

Мгновенные значения ψ₁(t) и ψ₂(t) фаз основных сигналов определяются выражениями:

ψ₁(t)=ω₁t-ψ₀₁;

ψ₁(t)=ω₂t-ψ₀₂,

где t - текущее время;

ψ₀₁ - начальная фаза сигнала первого радиомаяка;

ψ₀₂ - начальная фаза сигнала второго радиомаяка.

Формируют сигнал модуляции путем преобразования двух основных сигналов в сигнал разностной частоты.

Преобразование основных сигналов в сигнал модуляции может быть произведено различными способами. В частности, возможно, как показано на фиг.2, сложение основных сигналов в сумматоре 7 с последующим детектированием в амплитудном детекторе 8.

Мгновенное значение ψ_мод(t) сигнала модуляции с точностью до постоянного сдвига фазы равно разности фаз основных сигналов:

ψ_мод(t)=(ω₁-ω₂)t-(ψ₀₁-ψ₀₂)-ψ₀,

где ψ₀ - дополнительный сдвиг фазы при преобразовании.

Сигналом модуляции модулируют сигнал дополнительного радиопередающего устройства. Вид модуляции сигнала дополнительного радиопередающего устройства может быть любым.

На объекте управления основные сигналы принимают и преобразуют в сигнал разностной частоты (ω₁-ω₂). Прием и преобразование могут производиться различными способами. В частности, как показано на фиг.3, прием обоих основных сигналов может производиться одним приемником основных сигналов 12 с антенной 13. Преобразование принятых сигналов в сигнал разностной частоты может происходить в амплитудном детекторе 14.

Мгновенные значения ψ₁(r,t) и ψ₂(r,t) фаз принятых основных сигналов радиомаяков зависят от частот ω₁ и ω₂ и от расстояний r₁ и r₂ от соответствующих передающих антенн до объекта управления.

где r - вектор текущих координат объекта управления;

с - скорость света.

Мгновенное значение фазы сигнала разностной частоты с точностью до постоянного сдвига фазы равно разности фаз принятых сигналов радиомаяков:

где ψ_преобр - дополнительный сдвиг фазы при преобразовании.

На объекте управления сигнал дополнительного радиопередающего устройства принимают приемником 15 с антенной 16 (фиг.3) и преобразуют в демодуляторе 17 в опорный сигнал разностной частоты.

Мгновенное значение ψ_on(r,t) фазы опорного сигнала отличается от мгновенного значения ψ_мод(t) фазы сигнала модуляции на величину, соответствующую расстоянию r₃, от антенны дополнительного радиопередающего устройства до объекта управления:

где ψ_мод - дополнительный сдвиг фазы при модуляции сигнала дополнительного радиопередающего устройства;

ψ_демод - дополнительный сдвиг фазы при демодуляции.

Разность Δψ(r(t)) фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала в точке расположения объекта управления зависит от всех трех расстояний r₁, r₂ и r₃:

где ψ₀₀=ψ_преобр+ψ_мод+ψ_демод.

Заметим, что разность фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала в точке расположения объекта управления не зависит от начальных фаз основных сигналов и, следовательно, от соответствующих фазовых нестабильностей. Это существенно (на порядки) уменьшает требования к когерентности основных сигналов.

Покажем, что линии равных разностей фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала расположены веерообразно и направлены в сторону отрезка, соединяющего точки расположения антенны 1 и антенны 2 радиомаяков.

Определим градиент функции Δψ(r(t)).

Учтем, что:

Тогда

где $$D={\omega }_1{r}_1^0-\left[{\omega }_2{r}_2^0+({\omega }_1-{\omega }_2)r_3^0\right]$$ .

Вектор градиента разности фаз перпендикулярен касательной к линии (поверхности) равных значений разности фаз. Таким образом, положение касательной к линии равных значений разности фаз в точке расположения объекта управления определяется вектором D.

Из векторной диаграммы на фиг.1 видно, что вектор D приблизительно перпендикулярен биссектрисе угла β. Поэтому касательная к линии равных разностей фаз направлена в сторону отрезка, соединяющего точки расположения антенн 1 и 2 радиомаяков. Это справедливо для любых положений объекта управления и при любых положениях антенн радиомаяков.

Как видно из векторной диаграммы на фиг.1, изменение положения антенны 3 дополнительного радиопередающего устройства практически не влияет на направление вектора D и, следовательно, на положение линий равных разностей фаз. Это позволяет располагать антенну 3 дополнительного радиопередающего устройства практически в любом месте.

На фиг.4 приведены траектория движения 22 объекта управления и линии L₁, L₂, L₃, …, L_N равных разностей фаз для конкретного расположения антенн. Линии равных разностей фаз пересекают отрезок, соединяющий точки 23 и 24 расположения антенн радиомаяков. Таким образом, задача вывода объекта на отрезок, соединяющий точки 23 и 24, может быть сведена к задаче движения по траектории, совпадающей с одной из линий равных разностей фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала.

В качестве значения разности фаз на выбранной линии равных разностей фаз может быть использовано значение разности фаз в момент начала управления. Это значение соответствует линии 25 равных разностей фаз, проходящей через начальную точку 26 (точку расположения объекта управления в момент начала управления).

В соответствии с этим, в момент начала управления движением объекта определяют начальное значение Δψ_нач разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала, а в последующие моменты определяют текущие значения Δψ(r(t)) разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала.

Если после начала управления объект движется по линии 25, то отклонение текущих значений Δψ(r(t)) от начального значения Δψ_нач равно нулю, что должно соответствовать нулевому сигналу ошибки.

Если, как показано на фиг.4, вектор V₀ скорости объекта управления в момент начала управления (или в любой другой момент) направлен не вдоль линии 25, то объект отклоняется от линии 25, текущие значения Δψ(r(t)) разности фаз отклоняются от начального значения Δψ_нач, что приводит к формированию сигнала ошибки, знак и величина которого определяются знаком и величиной отклонения от линии 25. В соответствии с сигналом ошибки формируется сигнал управления, в результате чего объект управления возвращается на линию 25 и движется по ней в направлении отрезка между точками 23 и 24 расположения антенн радиомаяков.

Определение разности фаз Δψ(r(t)) и ее отклонений от начального значения Δψ_нач может производиться различными способами. В частности, как показано на фиг.3, разность фаз Δψ(r(t)) может определяться в цифровом определителе разности фаз 18, значение разности фаз в момент начала управления Δψ_нач может быть записано в запоминающем устройстве 19 по команде записи, а отклонение разности фаз может быть определено путем суммирования в сумматоре 20 текущего значения разности фаз Δψ(r(t)) и взятого с обратным знаком начального значения Δψ_нач.

Преобразование отклонения разности фаз от начального значения в сигнал ошибки происходит в формирователе сигнала ошибки 21.

Чтобы обеспечить взаимно однозначное соответствие отклонения разности фаз и отклонения объекта управления от линии 25, в цифровом определителе разности фаз должен использоваться алгоритм, при котором не происходит «сброс» целого числа периодов используемой в алгоритме обратной тригонометрической функции.

В частности, алгоритм может использовать периодическое вычисление тангенса разности фаз с последующим вычислением арктангенса. Результатом является главное значение арктангенса, которое может отличаться от истинного значения разности фаз Δψ(r(t)) на величину, кратную π:

где Δψ_главн - главное значение арктангенса;

n - целое число.

При определении начального значения разности фаз величине n присваивается любое конечное целое значение. Например, нулевое. В каждый из последующих моментов полученное очередное главное значение арктангенса сравнивается со значением в предыдущий момент. Если приращение главного значения арктангенса по абсолютной величине больше некоторого допустимого значения, то это является признаком очередного «сброса» величины π. В этом случае для компенсации «сброса» необходимо величину n изменить. Если новое главное значение меньше нуля, то величину n следует увеличить на единицу. Если новое главное значение больше нуля, то величину n следует на единицу уменьшить.

Погрешность вывода объекта на заданную точку определяется расстоянием между антеннами радиомаяков и расположением антенн радиомаяков относительно заданной точки. Целесообразно располагать антенны радиомаяков по разные стороны от заданной точки.

В случае, когда требуется вывести объект управления на заданную точку с заданного направления (например, при выводе летательного аппарата на начало взлетно-посадочной полосы), следует располагать антенны радиомаяков симметрично относительно заданной траектории. Погрешность углового положения траектории относительно заданной траектории определяется угловым положением точки 26 начала управления.

Изобретение относится к радионавигационным системам и может быть использовано в системах обеспечения посадки летательных аппаратов, в том числе беспилотных, а также в системах обеспечения судовождения. Достигаемый технический результат - улучшение массогабаритных характеристик системы, реализующей способ, и сокращение сроков ее развертывания. Указанный результат достигается за счет того, что формируют сигнал ошибки при обеспечении вывода объекта на заданную точку без применения высоконаправленных антенн. 4 ил.

Способ формирования сигналов ошибки при управлении движением объекта с целью вывода его на заданную точку, заключающийся в том, что объект управления облучают радиосигналами, а на объекте управления радиосигналы принимают и преобразуют в сигналы ошибки, отличающийся тем, что вблизи заданной точки располагают два радиомаяка, в которых формируют два основных сигнала неравных частот и излучают их, формируют также сигнал модуляции путем преобразования основных сигналов неравных частот двух радиомаяков в сигнал разностной частоты, которым модулируют сигнал дополнительного радиопередающего устройства, расположенного вблизи заданной точки, на объекте управления принимают основные сигналы неравных частот, преобразуют в сигнал разностной частоты, на объекте управления принимают также сигнал дополнительного радиопередающего устройства, который путем демодуляции преобразуют в опорный сигнал, в момент начала управления движением объекта определяют начальное значение разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала, в последующие моменты определяют текущие значения разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала и формируют сигналы ошибки в зависимости от отклонений текущих значений разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала от начального значения разности фаз сигнала разностной частоты и опорного сигнала.