СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации.

Известна система для определения местоположения движущегося по дорогам транспортного средства (Road vehicle locating system) [Международная заявка РСТ N89/12835: G018 5/02, G08G 1/12 (UK, заявл. 17.06.88, опубл. 28.12.89)], содержащая приемник сигналов, размещенный на центральной станции, навигационное устройство, размещенное на движущемся объекте, и передающий блок типа радиотелефона, соединенный с навигационным устройством.

Приемник является существенным признаком и заявляемой системы.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно низкая точность определения координат, так как координаты определяются навигационным устройством на основе данных радиомаяков, которые недостаточно точны.

Известна также защищенная патентом РФ №2013785 кл. G01S 13/00, 1994 система определения местоположения подвижных объектов, содержащая центральный пункт, не менее четырех приемных пунктов, М передатчиков, приемные и передающие антенны, блоки измерения задержки, приемники.

Передатчики и приемники являются существенными признаками и заявляемой системы.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является сложность реализации системы, что обусловлено большим объемом оборудования и необходимостью использования достаточно сложной системы единого времени.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является обращенная разностно-дальномерная радионавигационная система [Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Советское радио, 1979, с.97-100].

Эта система содержит четыре передатчика высокочастотных гармонических сигналов и не менее пяти приемников этих сигналов. Один из передатчиков установлен на подвижном объекте навигации, второй - на неподвижном объекте, остальные передатчики и приемники установлены в опорных навигационных точках с известными координатами.

Передатчики высокочастотных гармонических сигналов и их приемники являются существенными признаками и заявляемой системы.

Причиной, препятствующей обеспечению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с определенной погрешностью, что приводит к снижению точности измерения координат объекта навигации.

Еще одной причиной, препятствующей достижению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость непрерывного излучения сигнала неподвижным передатчиком. Это ухудшает условия электромагнитной совместимости аппаратуры системы. Возникает необходимость приема и передачи двух сигналов с близкими частотами, что ухудшает условия обеспечения информационной безопасности аппаратуры системы и облегчает возможность подавления ее работы потенциальным злоумышленником. Указанные обстоятельства существенно снижают помехозащищенность системы.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения местоположения объекта навигации и помехозащищенности системы.

Для достижения указанного технического результата в известную систему, содержащую первый передатчик высокочастотного гармонического сигнала, установленный на объекте навигации, второй передатчик высокочастотного гармонического сигнала, отличающийся по частоте от первого, и три приемника этих сигналов, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, второй передатчик установлен, как и первый, на объекте навигации, при этом оба передатчика подключены к общей антенне и в систему дополнительно введены три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации, выходы первого, второго и третьего приемников соединены с обоими входами балансного смесителя соответственно первого, второго и третьего измерительных каналов, первый вход первого фазового детектора соединен со вторым входом третьего фазового детектора и выходом первого измерительного канала, второй вход первого фазового детектора соединен с первым входом второго фазового детектора и выходом второго измерительного канала, а первый вход третьего фазового детектора соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом третьего измерительного канала, а каждый из аналого-цифровых преобразователей включен между выходом соответствующего фазового детектора и соответствующим входом вычислителя координат объекта навигации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:

на фиг. 1 - структурная схема предлагаемой системы;

на фиг. 2 - взаимное расположение объекта навигации и опорных радионавигационных точек с приемниками.

Система для измерения координат объекта навигации содержит два расположенных на объекте навигации передатчика 1.1 и 1.2 высокочастотных гармонических сигналов с общей передающей антенной 2, три приемника 3.1, 3.2 и 3.3 этих сигналов с приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), три фазовых детектора 5.1, 5.2 и 5.3, три аналого-цифровых преобразователя 6.1, 6.2 и 6.3 и вычислитель 7 координат объекта навигации.

Каждый из измерительных каналов содержит последовательно включенные балансный смеситель 8.i , узкополосный фильтр 9.i , усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i . Выходы каждого из приемников 3.i соединены с обоими входами соответствующего балансного смесителя 8.i. Первый вход фазового детектора 5.1 соединен со вторым входом фазового детектора 5.3 и выходом первого измерительного канала, второй вход фазового детектора 5.1 соединен с первым входом фазового детектора 5.2 и выходом второго измерительного канала, а первый вход фазового детектора 5.3 соединен со вторым входом фазового детектора 5.2 и выходом третьего измерительного канала. Каждый из аналого-цифровых преобразователей 6.i включен между выходом соответствующего фазового детектора 5.i и соответствующим входом вычислителя 7.

Функционирование системы поясняется фиг. 2, на которой показаны мобильный объект навигации (МО) с передатчиками 1.1 и 1.2 и общей передающей антенной 2, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 с приемниками 3.1, 3.2 и 3.3 и приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 расположены в точках с известными координатами X₁ и Y₁, Х₂ и Y₂ и Х₃ и Y₃ соответственно. Там же показаны расстояния D₁, D₂ и D₃ между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а также направление N на север.

Передатчики 1.1 и 1.2 генерируют высокочастотные гармонические сигналы с частотами ω₀ и ω₁ соответственно. С помощью общей антенны 2 в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 излучается сумма этих двух сигналов:

Эти сигналы имеют одинаковые амплитуды А и случайные начальные фазы φ₀ и φ₁.

С помощью приемников 3.1, 3.2 и 3.3 с антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 эти сигналы принимаются в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, находящихся на расстояниях D₁, D₂ и D₃ от объекта навигации соответственно:

где С=3·10⁸ м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.

Принятые сигналы поступают на входы измерительных каналов (каналов формирования разностных частот).

Каждый из измерительных каналов представляет собой совокупность последовательно включенных балансного смесителя 8.i , узкополосного фильтра 9.i и усилителя-ограничителя 10.i .

Сигнал S_i(t) поступает на оба входа балансного смесителя 8.i . В нем сигнал, по сути, возводится в квадрат, и на выходе смесителя 8.i получим:

Таким образом, на выходе балансного смесителя формируются сигнал нулевой частоты (постоянная составляющая ), три высокочастотных гармонических сигнала с частотами, равными 2ω₀, 2ω₁ и (ω₀+ω₁), а также гармонический сигнал с разностной частотой ω_p=(ω₀-ω₁).

Узкополосный фильтр 9.i настроен на разностную частоту ω_p. Постоянная составляющая , как и высокочастотные составляющие с частотами 2ω₀, 2ω₁ и (ω₀+ω₁), подавляются этим фильтром, а сигнал разностной частоты проходит через этот фильтр, усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i проходит на выход измерительного канала. Усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i осуществляют нормирование сигналов разностной частоты, сохраняя их гармоническими и устраняя в то же время зависимость их амплитуды от расстояния между мобильным объектом и радионавигационными точками.

Таким образом, на выходах измерительных каналов в каждой из радионавигационных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 сформируются гармонические сигналы разностной частоты ω_p с постоянной амплитудой:

Эти сигналы сдвинуты по фазе один относительно другого на величины , и , которые определяются расстояниями D₁, D₂ и D₃ соответственно.

Сигналы разностных частот по проводам передаются в центральный приемный пункт, где установлены фазовые детекторы 5.1, 5.2, 5.3, аналого-цифровые преобразователи 6.1, 6.2, 6.3 и вычислитель 7 координат объекта навигации.

В качестве центрального приемного пункта в принципе может быть использована, например, одна из опорных радионавигационных точек. Примем для определенности, что территориально центральный приемный пункт находится в точке ОРТ2.

В этих условиях на центральном приемном пункте принимаются три следующих сигнала:

1) сигнал с выхода первого измерительного канала

Он отличается от сигнала амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R₂₁, разделяющего ОРТ1 и центральный приемный пункт (в данном случае точку ОРТ2).

Этот сигнал можно представить в следующем виде:

,

где ;

2) сигнал с выхода второго измерительного канала, непосредственно сформированный в точке ОРТ2 (центральном приемном пункте)

.

В данном случае дополнительный фазовый сдвиг отсутствует, поскольку расстояние между точкой ОРТ2 и центральным приемным пунктом равно нулю.

Этот сигнал также можно представить в виде

,

где ;

3) сигнал с выхода третьего измерительного канала:

.

Этот сигнал по аналогии также можно записать в виде:

,

где .

Найдем разность фаз Δψ₂₁=ψ₂₂-ψ₂₁ сигналов S₂₂(t) и S₂₁(t) и разность фаз Δψ₂₃=ψ₂₂-ψ₂₃ сигналов S₂₂(t) и S₂₃(t):

,

.

Из этих выражений следует, что в этих разностях отсутствуют случайные фазовые сдвиги φ₀ и φ₁.

Исключив из последних выражений для Δψ₂₁ и Δψ₂₃ известные фазовые сдвиги и , получим окончательные выражения для расчета неизвестных координат объекта навигации - разности Δφ₂₁ фаз сигналов разностной частоты, сформированных вторым и первым измерительными каналами, а также для расчета разности Δφ₂₃ сигналов разностной частоты, сформированных вторым и третьим измерительными каналами:

,

.

Таким образом, величина Δφ₂₁ представляет собой разность фаз сигналов разностной частоты между второй и первой опорными точками, а величина Δφ₂₃ - между второй и третьей опорными точками. Указанные разности фаз однозначно соответствуют разностям дальностей D₂-D₁ и D₂-D₃ соответственно.

Это позволяет сделать вывод, что по результатам измерений параметров Δφ₂₁ и Δφ₂₃ могут быть рассчитаны величины D₁, D₂ и D₃ - расстояния между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а следовательно, и координаты объекта навигации.

Измерение разностей фаз сигналов на выходах измерительных каналов в центральном приемном пункте осуществляется с помощью фазовых детекторов 5.1, 5.2 и 5.3. Результаты измерений с помощью аналого-цифровых преобразователей 6.1, 6.2 и 6.3 преобразуются в цифровую форму и передаются в вычислитель 7 для пересчета результатов измерения в координаты объекта навигации.

Ниже приведен алгоритм пересчета результатов измерения разности фаз сигналов разностной частоты в координаты объекта навигации.

Исходными данными для расчета являются:

- разность Δφ₂₁ фаз сигналов разностной частоты для первой и второй радионавигационных точек;

- разность Δφ₂₃ фаз сигналов разностной частоты для третьей и второй радионавигационных точек.

Кроме того, в расчете используются следующие константы:

- значение первой высокой частоты ω₀;

- значение второй высокой частоты ω₁;

- скорость распространения радиоволн в атмосфере С;

- расстояние между первой и второй опорными радионавигационными точками R₂₁;

- расстояние между третьей и второй опорными радионавигационными точками R₂₃.

Порядок расчета следующий.

1) Вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точек

;

.

Здесь D₁, D₂, D₃ - расстояния от объекта навигации (МО) до ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 - опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 2.

2) Нормируются величины ΔD₂₁ и ΔD₂₃ по длинам базовых линий и вычисляется параметр γ:

3) Определяются постоянные параметры:

а=α₂₁-α₂₃; b=γ·Δd₂₃-Δd₂₁,

где α₂₁ - угол между направлением на север и базовой линией R₂₁;

α₂₃ - угол между направлением на север и базовой линией R₂₃.

4) Составляется уравнение для расчета угла β₂₃ между базовой линией R₂₃ и направлением на объект навигации:

Cos(а-β₂₃)-γ·Cosβ₂₃=b

Это уравнение решается относительно угла β₂₃ каким-либо из итерационных методов, например методом деления отрезка пополам.

5) Вычисляются координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:

При необходимости координаты объекта навигации пересчитываются в исходную прямоугольную систему координат:

Таким образом, в предлагаемой системе исключена присущая системе-прототипу составляющая погрешности, обусловленная неточностью определения координат неподвижного передатчика второго гармонического высокочастотного сигнала. В предлагаемой системе оба передатчика размещены на мобильном объекте, и для излучения сигналов используется одна и та же антенна, вследствие чего устраняется причина возникновения рассматриваемой дополнительной составляющей погрешности при измерении координат мобильного объекта. Следовательно, точность измерения координат в предлагаемой системе выше, чем в прототипе.

Кроме того, в предлагаемой системе отсутствует необходимость в непрерывном излучении второго гармонического сигнала, поскольку он может излучаться лишь в промежутки времени, достаточные для измерения разности фаз сигналов разностной частоты. Это время не превышает долей миллисекунды. Малое время излучения сигнала затрудняет его обнаружение, а следовательно, и подавление потенциальным злоумышленником. Это значительно повышает помехоустойчивость заявляемой системы по сравнению с прототипом.

Техническая реализация системы не вызывает затруднений.

Для реализации высокочастотных сигналов может быть выбран диапазон 1200-1400 МГц. В этом диапазоне легко обеспечить выполнение условия узкополосности при передаче и приеме двух сигналов и одновременно избежать больших потерь энергии радиосигналов в атмосфере.

В качестве передатчиков 1.1 и 1.2 сигнала могут быть использованы интегральные СВЧ-усилители типа 8РР51222, к входам которых подключены синтезаторы частоты типа ADF4360-5.

В качестве антенны 2 может использовать полуволновый вибратор, к входу которого подключен микрополосковый сумматор с двумя входами.

В качестве приемников 3.1, 3.2 и 3.3 сигнала можно использовать СВЧ-усилители типа SPF5122Z.

В качестве приемных антенн 4.1, 4.2 и 4.3 используются полуволновые вибраторы.

В качестве фазовых детекторов 5.1, 5.2 и 5.3 микросхема типа SYPD-1.

В качестве аналого-цифровых преобразователей 6.1, 6.2 и 6.3 и качестве вычислителя 7 микросхема STM32F407, содержащая два встроенных 12-ти разрядных аналого-цифровых преобразователя и 16-ти разрядный микропроцессор.

Балансные смесители 8.i могут быть реализованы на транзисторах BFP620.

Узкополосный фильтр 9.i может быть реализован на микрополосковых линиях.

В качестве усилителя-ограничителя 10.i можно использовать логарифмический усилитель AD8309.

В качестве резонансного усилителя можно использовать активный полосовой фильтр второго порядка на операционном усилителе AD797ANZ.

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации. Система содержит два расположенных на объекте навигации передатчика высокочастотных гармонических сигналов с общей передающей антенной, три приемника этих сигналов с приемными антеннами, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации. Каждый из измерительных каналов содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель. Достигаемый технический результат - повышение точности определения местоположения объекта навигации и помехозащищенности системы. 2 ил.

Система для измерения координат объекта навигации, содержащая первый передатчик высокочастотного гармонического сигнала, установленный на объекте навигации, второй передатчик высокочастотного гармонического сигнала, отличающийся по частоте от первого, и три приёмника этих сигналов, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, отличающаяся тем, что второй передатчик установлен, как и первый, на объекте навигации, при этом оба передатчика подключены к общей антенне, в систему введены три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включённые балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации, выходы первого, второго и третьего приёмников соединены с обоими входами балансного смесителя соответственно первого, второго и третьего измерительных каналов, первый вход первого фазового детектора соединён со вторым входом третьего фазового детектора и выходом первого измерительного канала, второй вход первого фазового детектора соединён с первым входом второго фазового детектора и выходом второго измерительного канала, а первый вход третьего фазового детектора соединён со вторым входом второго фазового детектора и выходом третьего измерительного канала, а каждый из аналого-цифровых преобразователей включён между выходом соответствующего фазового детектора и соответствующим входом вычислителя координат объекта навигации.