СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в зонах навигации. Радиосигналы передает источник радиоизлучения, находящийся на объекте. Их принимают стационарные наземные станции с заданными координатами фазовых центров антенн и определяют фазовый центр антенны объекта. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и достоверность измерения координат объекта.

Известны способы определения координат объектов, 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, 2096800, 2115137, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2558640, 2559813, 2561721; 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, с. 7, 17-18, пп. 7.1-7.4, гл. 10.; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.: «Радиотехника», 2008, гл. 5; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. радио, 1979, с. 10-11, 97-100). Известные способы имеют те или иные недостатки, например необходимость механического перемещения антенной системы, невозможность однозначного определения координат объекта, необходимость априорной информации о местоположении объекта, необходимость общей синхронизации передающих и принимающих радиосигналы радиотехнических объектов, недостаточные быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объектов по патенту RU №2579983.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение точности и достоверности их измерения. Это достигается тем, что на объекте формируют радиосигнал в виде гармонического колебания, модулированного функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, с заданными частотами первой и последующих функций. На станциях осуществляют квадратурный прием с заданной частотой гетеродина и определяют относительные времена задержек приема радиосигнала от объекта в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой. По заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям от них до объекта, получаемым по скорректированным относительным временам задержек приема радиосигналов, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, радиосигналы принимают системой, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных наземных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте формируют радиосигнал в виде гармонического колебания с частотой ƒ₀, модулированного функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, при этом частота первой из указанных функций равна ƒ₁, а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты ƒ₁, где индекс s соответствует номеру указанной s-ой функции, и все указанные функции имеют одинаковые начальные временные сдвиги Δt в системе отсчета времени, связанной с объектом, сформированный радиосигнал передают с объекта, синхронизированно принимают его на каждой станции с известными для каждой станции в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой, временными сдвигами приема радиосигнала Δτ_n, где индекс n соответствует n-ой станции и изменяется от 1 до N, при этом временные сдвиги приема радиосигнала Δτ_n не превышают значений, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-ой и j-ой, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов приема Δτ_i, и Δτ_j, не превышают интервала времени T, равного , причем на станциях известны упомянутые частоты ƒ₀, ƒ₁, числа k_s, при этом на каждой станции осуществляют квадратурный прием радиосигнала с заданной частотой гетеродина, равной ƒ₀+lƒ₁, где l - заданное целое число, и по образующимся при этом группам колебаний с разностными частотами определяют с учетом временного сдвига приема радиосигнала Δτ_n этой станции относительное время задержки приема приходящего с объекта радиосигнала в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой, значения указанных относительных времен задержек приема радиосигнала станциями передают по линиям связи на общую для всех станций подсистему, и в подсистеме по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям до объекта от указанных фазовых центров антенн станций, получаемым по упомянутым скорректированным относительным временам задержек, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.

Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты объекта с достижением указанного технического результата.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о способах того же назначения с указанной совокупностью признаков. Ниже изобретение описано более детально.

Сущность способа заключается в следующем.

Источник радиоизлучения находится на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном. Радиосигналы принимают системой, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных наземных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн. На объекте формируют радиосигнал в виде гармонического колебания с частотой ƒ₀, модулированного функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной. При этом частота первой из указанных функций равна ƒ₁, а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты ƒ₁, где индекс s соответствует номеру указанной s-ой функции. Все указанные функции имеют одинаковые начальные временные сдвиги Δt в системе отсчета времени, связанной с объектом.

Сформированный радиосигнал передают с объекта. Его синхронизированно принимают на каждой станции с известными для каждой станции в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой, временными сдвигами приема радиосигнала Δτ_n, где индекс n соответствует n-ой станции и изменяется от 1 до N. При этом временные сдвиги приема радиосигнала Δτ_n не превышают значений, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-ой и j-ой, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов приема Δτ_i, и Δτ_j, не превышают интервала времени T, равного . На станциях должны быть известны упомянутые частоты ƒ₀, ƒ₁, числа k_s.

На каждой станции осуществляют квадратурный прием радиосигнала с заданной частотой гетеродина, равной ƒ₀+lƒ₁, где l - заданное целое число, и по образующимся при этом группам колебаний с разностными частотами определяют с учетом временного сдвига приема радиосигнала Δτ_n этой станции относительное время задержки приема приходящего с объекта радиосигнала в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой.

В качестве примера, иллюстрирующего реализацию способа, рассмотрим случай, когда моделирующая функция представлена в виде произведения двух функций (s=2). Тогда при квадратурном приеме образуются соответствующие каждой станции группы из четырех колебаний с разностными частотами. Для удобства изложения назовем эти колебания базовыми.

При этом для каждой группы колебания, получающиеся на разностных частотах любых двух из четырех базовых колебаний (назовем их вторичными) имеют частоты, кратные частоте ƒ₁, и не содержат случайные начальные фазы гармонического колебания с частотой ƒ₀ и случайные фазы колебаний гетеродина.

В этом примере (при обеспечении выполнения упомянутых условий, связывающих начальные временные сдвиги Δt_n, расстояния между фазовыми центрами антенн станций и интервал времени T) параметры радиосигналов заданы таким образом, что в каждой группе для каждого колебания этой группы, названного вторичным, количества укладывающихся периодов колебаний на интервале времени Т являются целыми числами, такими как 1, k₂-1, k₂ и k₂+1.

Нетрудно видеть, что в общем случае (при s>2) при квадратурном приеме образуются соответствующие каждой станции группы из большего числа базовых и, соответственно, вторичных колебаний. При этом для каждого вторичного колебания количества укладывающихся периодов колебаний на интервале времени T являются также целыми числами.

Все это дает возможность, по крайней мере, по любым двум из вторичных колебаний, у которых упомянутые количества периодов являются взаимно простыми числами, однозначно определить, с учетом временного сдвига приема радиосигнала Δτ_n этой станции, относительное время задержки приема радиосигнала в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой.

Далее значения указанных относительных времен задержек приема радиосигнала станциями передают по линиям связи на общую для всех станций подсистему. В подсистеме по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям до объекта от указанных фазовых центров антенн станций, получаемым по упомянутым скорректированным относительным временам задержек, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать, например, подходящий метод из защищенных патентами RU (№№2484604, 2530231, 2530232, 2530239, 2530240, 2530241, 2542659) или из международных заявок в системе РСТ (WO/2015/012733, WO/2015/012734, WO/2015/012735, WO/2015/012736, WO/2015/012737, WO/2015/012738).

Способ может найти применение для построения универсальной навигационно-посадочной системы.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью,

- требуется синхронизация только совокупности принимающих станций, а на объекте, передающем радиосигналы, используется своя система отсчета времени,

- сигналы, заданные в аналитическом виде, относительно просто формировать, смещать и пр., благодаря, в том числе, этому повышается точность измерений,

- обеспечивает возможность производить измерения с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники,

- реализация способа проще и дешевле, чем известных аналогов,

- позволяет осуществлять одновременные измерения на большом количестве объектов.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет однозначно определять координаты с большой точностью и более просто по сравнению с известными способами.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает появление новых свойств, не достигаемых в аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию «новизны».

Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Таким образом, заявленное изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а также критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) источника радиоизлучения (ИР), находящегося на стационарном или подвижном объекте. Технический результат - повышение точности и достоверности определения ПК объекта. Способ характеризуется тем, что радиосигнал, передаваемый ИР, формируют в виде гармонического колебания, модулированного функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной или косинусоидальной, с заданными частотами первой и последующих функций. В принимающей системе (ПС), содержащей стационарные наземные станции с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА), на каждой станции осуществляют квадратурный прием радиосигнала с заданной частотой гетеродина и определяют относительное время задержки приема радиосигнала (ОВЗПР) в системе отсчета времени, связанной с ПС. Значения ОВЗПР передают на общую для всех станций подсистему и в ней по заданным ПК ФЦА станций и относительным дальностям от них до объекта, получаемым по скорректированным ОВЗПР, однозначно определяют ПК ФЦА объекта, находящегося в любой точке пространства.

Способ определения координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, при котором радиосигналы принимают системой, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных наземных станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте формируют радиосигнал в виде гармонического колебания с частотой , модулированного функцией в виде произведения, по крайней мере, двух функций, каждая из которых может быть синусоидальной либо косинусоидальной, при этом частота первой из указанных функций равна , а частоты последующих функций с номером s в заданное натуральное число k_s раз больше частоты , где индекс s соответствует номеру указанной s-ой функции, и все указанные функции имеют одинаковые начальные временные сдвиги Δt в системе отсчета времени, связанной с объектом, сформированный радиосигнал передают с объекта, синхронизированно принимают его на каждой станции с известными для каждой станции в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой, временными сдвигами приема радиосигнала Δτ_n, где индекс n соответствует n-ой станции и изменяется от 1 до N, при этом временные сдвиги приема радиосигнала Δτ_n не превышают значений, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, i-ой и j-ой, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих временных сдвигов приема Δτ_i и Δτ_j, не превышают интервала времени Т, равного , причем на станциях известны упомянутые частоты , числа k_s, при этом на каждой станции осуществляют квадратурный прием радиосигнала с заданной частотой гетеродина, равной , где

l - заданное целое число, и по образующимся при этом группам колебаний с разностными частотами определяют с учетом временного сдвига приема радиосигнала Δτ_n этой станции относительное время задержки приема приходящего с объекта радиосигнала в системе отсчета времени, связанной с принимающей системой, значения указанных относительных времен задержек приема радиосигнала станциями передают по линиям связи на общую для всех станций подсистему, и в подсистеме по заданным пространственным координатам фазовых центров антенн станций и относительным дальностям до объекта от указанных фазовых центров антенн станций, получаемым по упомянутым скорректированным относительным временам задержек, однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, находящегося в любой точке пространства.