СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01R29/08 G01S13/00 G01S13/32 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, при отслеживании движения и радиочастотной идентификации подвижных объектов.

Известны амплитудные способы определения координат объектов (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. - М.: Воен. Издат, 1967). Однако амплитудные способы позиционирования имеют большую погрешность.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению относятся "Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора", описанный в патенте Украины № 93645 и "Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации", описанный в патенте Украины № 100897. По этим способам идентификации и измерения расстояния от измерительной станции до транспондера предполагается генерирование непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами, первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты, усиление сигнала в транспондере, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, причем первичное излучение и вторичный прием осуществляются через один циркулятор и одну антенну измерительной станции, перемножение в смесителе вторично принятых и первоначально генерированных высокочастотных колебаний, избирательное усиление одной их комбинационных низкочастотных составляющих разности колебаний и последовательное измерение фазового сдвига между выделенным низкочастотным сигналом и сигналом низкой частоты местного опорного генератора. При этом селективное усиление предполагает идентификацию объекта, а измерение разности фаз предполагает измерение расстояния до объекта (транспондера).

Однако указанные способы идентификации и измерения дальности имеют ряд недостатков, заключающихся в малой дальности действия системы и низкой точности определения расстояния. Малая дальность действия обусловлена тем, что в измерительной станции системы используется одна общая антенна для первичного излучения и вторичного приема, при этом передаваемый и принимаемый сигналы разделяются через циркулятор. Развязка циркулятора, как правило, не превышает 20 дБ, что обуславливает известные ограничения на уровень мощности первично излучаемого сигнала. Устанавливать усилитель принимаемых сигналов в измерительной станции при этом не представляется возможным. Соответственно дальность действия системы будет низка. С другой стороны с помощью транспондера первично принимают сигнал измерительной станции, усиливают его, трансформируют его по частоте и переизлучают трансформированный сигнал обратно в направлении измерительной станции. Усиление сигнала повышает дальность действия системы. Но надо понимать, что сам транспондер устанавливается на некотором объекте, например автомобиле. Эффективная поперечная площадь рассеивания объекта велика по сравнению с приведенной апертурой антенны транспондера. Таким образом, в измерительную станцию поступают два сигнала: усиленный и трансформированный по частоте сигнал транспондера и сигнал, отраженный от поперечной площади рассеивания объекта. Второй сигнал с частотой первично генерированных колебаний является мешающим сигналом. Наличие этого сигнала приводит к появлению ошибок измерения расстояния. Кроме того, антенна транспондера устанавливается на подвижном объекте.

Соответственно взаимное расположение антенн измерительной станции и транспондера может изменяться, что может приводить к ослаблению принимаемого от транспондера сигнала, приводящее к уменьшению дальности действия системы.

Целью настоящего изобретения является повышение дальности действия и точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования. Поставленная цель достигается тем, что способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования, включающий генерирование непрерывных высокочастотных колебаний с известными частотами, первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты, усиление сигнала в транспондере, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, перемножение в смесителе вторично принятых и первоначально генерированных высокочастотных колебаний, избирательное усиление одной их комбинационных низкочастотных составляющих разности колебаний, последовательное измерение фазового сдвига между выделенным низкочастотным сигналом и сигналом низкой частоты местного опорного генератора, вычисление расстояния по последовательно измеренным разностям фаз, отличающийся тем, что первично сформированный высокочастотный сигнал предварительно усиливают по мощности и непосредственно через антенну круговой поляризации известного направления вращения плоскости поляризации первично излучают в направлении антенны линейной поляризации транспондера, при этом первично принятый антенной линейной поляризации, усиленный и трансформированный по частоте сигнал транспондера вторично излучают той же антенной линейной поляризации, вторично принимают в измерительной станции другой, пространственно удаленной от первой, антенной круговой поляризации, направление вращения плоскости поляризации которой противоположно направлению вращения плоскости поляризации волны, отраженной от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, при этом вторично принятый сигнал транспондера дополнительно усиливают.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в повышении дальности действия системы и повышения точности измерения расстояния.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в излучении сигнала измерительной станции и приеме сигнала транспондера через одну антенну, предполагая при этом разделение этих сигналов с помощью циркулятора, нельзя получить большой дальности действия системы и высокой точности. По заявляемому способу первично излучаемый сигнал может иметь повышенную мощность, поскольку разделение излучаемых и принимаемых в измерительной станции сигналов осуществляет не циркулятор, имеющий относительно низкий уровень развязки, а пространственно разнесенные антенны, развязка между которыми может достигать 40 дБ и более. Дальность действия системы при этом будет увеличена. Дополнительного увеличения дальности действия достигают дополнительным усилением вторично принимаемого сигнала. При этом дальность действия системы не изменяется при изменении взаимного расположения антенн измерительной станции и транспондера при передвижении объекта, на котором установлен последний, поскольку антенны измерительной станции имеют круговую поляризацию излучения, а антенна транспондера - линейную. При этом сигнал круговой поляризации, отраженный от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, антенной вторичного приема подавляется, поскольку эта антенна имеет противоположное направление вращение плоскости поляризации. Точность определения расстояния при этом будет повышена.

Указанный способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования можно реализовать с помощью устройства, показанного на фиг. 1.

Устройство повышенной точности измерения расстояния и повышенной дальности действия системы радиочастотной идентификации и позиционирования состоит из генератора непрерывных высокочастотных колебаний 1, усилителя мощности высокочастотных сигналов 2, направленного ответвителя 3, передающей антенны круговой поляризации 4, приемной антенны круговой поляризации 5, малошумящего усилителя 6, смесителя 7, узкополосного усилителя-ограничителя 8, первого высокостабильного низкочастотного генератора 9, измерителя разности фаз 10, антенны линейной поляризации транспондера 11, управляемого фазовращателя 12, однопортового усилителя высокочастотных колебаний 13, второго высокостабильного низкочастотного генератора 14.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с входом усилителя мощности 2, выход которого соединен с входом направленного ответвителя 3, первый выход которого соединен с передающей антенной круговой поляризации 4, а второй выход которого соединен с первым входом смесителя 7, причем приемная антенна круговой поляризации 5 соединена с входом малошумящего усилителя 6, выход которого соединен со вторым входом смесителя 7, причем выход смесителя 7 соединен с входом узкополосного усилителя-ограничителя 8, причем выход узкополосного усилителя-ограничителя 8 соединен с первым входом измерителя разности фаз 10, причем выход первого высокостабильного низкочастотного генератора 9 соединен со вторым входом измерителя разности фаз 10, при этом антенна линейной поляризации транспондера 11 соединена с первым сигнальным выводом управляемого фазовращателя 12, второй сигнальный вывод которого соединен с выводом однопортового усилителя высокочастотных колебаний 13, при этом вход управления управляемого фазовращателя 12 соединен с выходом второго высокостабильного низкочастотного генератора 14.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования следующим образом.

Генератором высокочастотных колебаний 1 первоначально генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной частотой, начальной фазой и амплитудой. Все аналитические формулы, описывающие процессы формирования, излучения, приема и преобразования сигналов, вычисления расстояния подробно описаны в патентах-прототипах № 93645 и № 100897, поэтому здесь не приводятся.

Усиленные по мощности колебания через направленный ответвитель 3 с незначительными потерями энергии подают на антенну круговой поляризации 4 и излучают в направлении антенны линейной поляризации транспондера 11. Принятые антенной линейной поляризации транспондера 11 высокочастотные колебания подают на первый сигнальный вывод управляемого фазовращателя 12 и со второго сигнального вывода которого далее на однопортовый усилитель высокочастотных колебаний 13. Далее усиленные высокочастотные колебания вновь подают на второй сигнальный вывод управляемого фазовращателя 12 и далее через первый сигнальный вывод фазовращателя 12 на антенну линейной поляризации транспондера 11. В управляемом фазовращателе в непрерывные высокочастотные колебания под действием сигнала управления от низкочастотного высокостабильного генератора 14 вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг, приводя, по сути дела, к смещению частоты исходных высокочастотных колебаний.

Трансформированные таким образом по частоте колебания переизлучают через антенну линейной поляризации транспондера 11 в направлении антенны круговой поляризации 5 измерительной станции, где их принимают и усиливают малошумящим усилителем 6. Усиленные высокочастотные колебания смешивают с частью энергии исходных высокочастотных колебаний в смесителе 7 и с помощью узкополосного усилителя-ограничителя 8 выделяют и усиливают до ограничения комбинационную составляющую разности исходных высокочастотных колебаний и трансформированных в транспондере по частоте.

После этого в измерителе разности фаз 10 измеряют разность фаз непрерывных низкочастотных колебаний, формируемых высокостабильными генераторами измерительной станции 9 транспондера 14 с учетом набега фазы высокочастотных колебаний при их распространении от измерительной станции и обратно.

По последовательно изменяемой во времени частоте высокочастотного генератора и измеряемой разности фаз низкочастотных генераторов, определяют расстояние между измерительной станции и транспондером с высокой точностью. Дальность действия системы при этом будет повышена.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с увеличением дальности действия системы радиочастотной идентификации и позиционирования, Увеличение дальности действия обусловлено возможностью первично излучать высокочастотные сигналы повышенной мощности и дополнительно усиливать вторично принимаемые сигналы. Кроме того, повышение эффективности от использования предполагаемого изобретения связано с повышением точности определения расстояния между измерительной станцией и транспондером, устанавливаемом на объекте идентификации и слежения. Этот эффект обусловлен подавлением сигнала, отражаемом поперечной площадью рассеивания объекта, на котором установлен транспондер.

Другой аспект повышения эффективности от предполагаемого изобретения связан с тем, что взаимное положение антенн измерительной станции и транспондера может свободно изменяться в пространстве в пределах изменения плоскости поляризации антенн. Уровень вторично принимаемого сигнала изменяться при этом не будет, поскольку первично излучают и вторично принимают измерительной станцией волны круговой поляризации, в то время как первично принимают и вторично излучают транспондером волны линейной поляризации.

Способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования может быть использован, например, при идентификации управлении движением подвижных объектов.

Новым в способе измерения дальности является использование в измерительной станции двух антенн круговой поляризации, работающих одна на излучение, другая на прием. При этом циркулятор, разделяющий излучаемые и принимаемые сигналы, из состава измерительной станции исключается. Пространственное разнесение антенн измерительной станции позволяет повысить развязку между каналами приема и передачи, что позволяет излучать сигналы повышенной мощности и дополнительно усиливать принимаемые сигналы. Дальность действия системы при этом повышается. Направление вращения плоскости поляризации приемной антенны измерительной станции выбирается противоположным направлению вращения плоскости поляризации волны, отраженной от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, что обеспечивает подавление этого мешающего сигнала и повышения таким образом точности определения расстояния. Кроме того, использование в транспондере антенны линейной поляризации позволяет ликвидировать замирания сигнала, возникающие при движении объекта и изменении таким образом взаимной ориентации антенн транспондера и измерительной станции.

Способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования, включающий генерирование непрерывных высокочастотных колебаний с известными частотами, первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты, усиление сигнала в транспондере, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, перемножение в смесителе вторично принятых и первоначально генерированных высокочастотных колебаний, избирательное усиление одной их комбинационных низкочастотных составляющих разности колебаний, последовательное измерение фазового сдвига между выделенным низкочастотным сигналом и сигналом низкой частоты местного опорного генератора, вычисление расстояния по последовательно измеренным разностям фаз, отличающийся тем, что первично сформированный высокочастотный сигнал предварительно усиливают по мощности и непосредственно через антенну круговой поляризации известного направления вращения плоскости поляризации первично излучают в направлении антенны линейной поляризации транспондера, при этом первично принятый антенной линейной поляризации, усиленный и трансформированный по частоте сигнал транспондера вторично излучают той же антенной линейной поляризации, вторично принимают в измерительной станции другой, пространственно удаленной от первой, антенной круговой поляризации, направление вращения плоскости поляризации которой противоположно направлению вращения плоскости поляризации волны, отраженной от поперечной площади рассеивания объекта, на котором установлен транспондер, при этом вторично принятый сигнал транспондера дополнительно усиливают.