СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА Российский патент 2017 года по МПК G01S5/10 H04W64/00 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в зонах навигации. Радиосигналы передают станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, их принимают на объекте и определяют координаты фазового центра его антенны. 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.: Машиностроение, 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 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 №2578750.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение точности и достоверности их измерения при отсутствии требования взаимной временной синхронизации между станциями и объектом. Это достигается тем, что станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, располагаемые заданным образом в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координат, передают синхронизированно радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой, а на объекте осуществляют их прием в системе отсчета времени, связанной с объектом, регистрируют моменты времен приема, определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций и корректируют их с учетом временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов определяют относительные дальности и по приведенным далее выражениям определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта. По заданным пространственным координатам ФЦА станций и указанным дальностям определяют пространственные координаты ФЦА объекта в указанной системе координат.

Пространственные координаты ФЦА объекта определяют по полученным дальностям, например, одним из известных дальномерных методов (можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами RU №№2484604, 2484605, или опубликованный в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]).

Для достижения указанного технического результата в соответствии с изобретением в способе определения координат объекта, в том числе подвижного, с каждой станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, содержащей совокупность N≥5 станций с заданными в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координатами ФЦА, расположенных таким образом, что вся совокупность образует i-е группы станций, содержащие по три последовательно упорядоченно расположенные j-е станции в группе, 1-я, 2-я и 3-я станции, при этом координаты ФЦА станций в группе заданы так, что ФЦА находятся на одной прямой на заданных расстояниях между первой и второй станциями и между второй и третьей станциями , при этом две любые группы могут не содержать ни одной общей станции либо содержать одну или две общие станции, передают синхронизированно радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала в группе временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени для данной группы, а на объекте осуществляют их прием, регистрируют моменты времен приема и определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций в системе отсчета времени, связанной с объектом, корректируют их с учетом указанных временных сдвигов, по скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов Δt_i,j определяют относительные дальности от указанных ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением Δ_i,j=сΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигналов, индекс j изменяется от 1 до 3, и определяют дальности D_i,j от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением

где

а координаты ФЦА объекта определяют по полученным дальностям D_i,j в указанной трехмерной Декартовой системе координат, например, одним из известных дальномерных методов, причем для совокупности N=5 станций, что соответствует двум указанным группам станций, имеющим только одну общую станцию, обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта посредством привлечения дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта относительно плоскости, образованной ФЦА этих пяти станций, а для совокупности N≥6 станций обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта посредством формирования в совокупности, по крайней мере, двух указанных групп станций, таким образом, что прямая, на которой находятся ФЦА одной группы, и прямая, на которой находятся ФЦА другой группы, являются скрещивающимися.

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.

Передающая радиосигналы система, стационарная либо перемещающаяся как единое целое, содержит совокупность N≥5 станций с заданными в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координатами ФЦА станций. Фазовые центры антенн станций расположены таким образом, что вся совокупность станций образует i-е группы станций, содержащие по три последовательно упорядоченно расположенные j-е станции в группе, 1-я, 2-я и 3-я станции. При этом координаты ФЦА станций в группе заданы так, что ФЦА находятся на одной прямой на заданных расстояниях между первой и второй станциями и между второй и третьей станциями . Также две любые группы могут не содержать ни одной общей станции либо содержать одну или две общие станции. С каждой станции передают синхронизированно радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала в группе временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени для данной группы. Эти временные сдвиги передачи радиосигналов либо заранее известны на объекте, либо передаются на него по каналам связи при необходимости. Передающая система может быть как стационарной наземной, так и располагаться на корабле, автомобиле и т.п.и перемещаться с ними как единое целое. На объекте осуществляют прием радиосигналов в системе отсчета времени, связанной с объектом, и регистрируют моменты времен приема. Определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций и корректируют их с учетом указанных временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов Δt_i,j определяют относительные дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением Δ_i,j=cΔt_i.j, где с - скорость распространения радиосигналов, индекс j изменяется от 1 до 3. Затем определяют дальности D_i,j от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с выражением (1).

По полученным дальностям D_i,j в указанной трехмерной Декартовой системе координат определяют пространственные координаты ФЦА объекта, например, одним из известных дальномерных методов (в качестве такого метода можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами RU №№2484604, 2484605, или из упомянутой статьи автора). Для совокупности N=5 станций, что соответствует двум указанным группам станций, имеющим только одну общую станцию, обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта посредством привлечения дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта относительно плоскости, образованной ФЦА этих пяти станций. Для совокупности N≥6 станций обеспечивают однозначное определение координат ФЦА объекта посредством формирования в совокупности, по крайней мере, двух указанных групп станций таким образом, что прямая, на которой находятся ФЦА одной группы, и прямая, на которой находятся ФЦА другой группы, являются скрещивающимися (через две такие прямые нельзя провести плоскость).

Покажем на простом примере использование предложенного способа для определения координат ФЦА объекта при количестве станций передающей системы N=6, которые образуют две группы станций, сформированных таким образом, что прямая, на которой находятся ФЦА одной группы, и прямая, на которой находятся ФЦА другой группы, являются скрещивающимися. В этом случае координаты объекта определяются однозначно, т.е. не требуется привлечение дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта.

Пусть заданы следующие координаты ФЦА шести станций в трехмерной Декартовой системе координат, связанной с передающей системой:

координаты 1-й группы станций (индекс i=1):

(x_1,1, a, b), (x_1,2, a, b), (x_1,3, a, b) при условиях x_1,1<х_1,2<x_1,3,

координаты 2-й группы станций (индекс i=2):

(c, y_2,1, d), (c, y_2,2, d), (c, y_2,3, d) при условиях у_2,1<у_2,2<у_2,3 и b≠d.

Тогда координаты ФЦА объекта (x₀, y₀, z₀), например, могут быть представлены в той же системе координат в виде

z₀=(А+Вх₀+Cy₀)F,

где

, , ,

здесь D_i,j - дальности, определяемые в соответствии с предлагаемым способом по формуле (1) при значениях индексов i=1, 2 и j=1, 2, 3.

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

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦА объекта с высокой точностью;

- не требуется общая синхронизация передающих радиосигналы станций и принимающих их объектов, осуществляют синхронизацию передающих станций, в том числе только в группах, а принимающие радиосигналы объекты используют свои системы отсчета времени;

- 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, 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 изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Таким образом, изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а также критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться для определения пространственных координат стационарного или подвижного принимающего радиосигналы объекта. Технический результат - повышение точности и достоверности определения пространственных координат объектов. Указанный результат достигается за счет того, что станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, располагаемые заданным образом в связанной с передающей системой трехмерной Декартовой системе координат, передают синхронизированно радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени, связанной с передающей системой, а на объекте осуществляют их прием в системе отсчета времени, связанной с объектом, регистрируют моменты времен приема, определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций и корректируют их с учетом временных сдвигов. По скорректированным относительным временным задержкам приема радиосигналов определяют относительные дальности и по приведенным в формуле изобретения выражениям определяют дальности от фазовых центров антенн (ФЦА) станций до ФЦА объекта. По заданным пространственным координатам ФЦА станций и указанным дальностям определяют пространственные координаты ФЦА объекта в указанной системе координат.

Способ определения координат объекта, в том числе подвижного, при котором с каждой станции передающей системы, стационарной либо перемещающейся как единое целое, содержащей совокупность N≥5 станций с заданными в трехмерной Декартовой системе координатами фазовых центров антенн, расположенных таким образом, что вся совокупность образует i-е группы станций, содержащие по три последовательно упорядоченно расположенные j-е станции в группе, 1-я, 2-я и 3-я станции, при этом координаты фазовых центров антенн станций в группе заданы так, что фазовые центры антенн находятся на одной прямой на заданных расстояниях между первой и второй станциями r12_i и между второй и третьей станциями r23_i, при этом две любые группы могут не содержать ни одной общей станции либо содержать одну или две общие станции, передают синхронизированно радиосигналы с известными на объекте для каждого радиосигнала в группе временными сдвигами передачи в заданной системе отсчета времени для данной группы, а на объекте осуществляют их прием, регистрируют моменты времен приема, определяют относительные временные задержки приема радиосигналов от станций в системе отсчета времени, связанной с объектом, корректируют их с учетом указанных временных сдвигов, по скорректированным относительным временным задержкам Δt_i,j приема радиосигналов определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций в соответствии с выражением Δ_i,j=cΔt_i,j, где с - скорость распространения радиосигналов, индекс j изменяется от 1 до 3, и дальности D_i,j от фазовых центров антенн станций до фазового центра антенны объекта определяют в соответствии с выражением

D_i,j=Δ_i,j+δ_i,

где

а координаты фазового центра антенны объекта определяют по указанным дальностям D_i,j, например, одним из известных дальномерных методов, причем для совокупности N=5 станций, что соответствует двум указанным группам станций, имеющим только одну общую станцию, обеспечивают однозначное определение координат фазового центра антенны объекта посредством привлечения дополнительной априорной информации о расположении фазового центра антенны объекта относительно плоскости, образованной фазовыми центрами антенн этих пяти станций, а для совокупности N≥6 станций обеспечивают однозначное определение координат фазового центра антенны объекта посредством формирования в совокупности, по крайней мере, двух указанных групп станций, таким образом, что прямая, на которой находятся фазовые центры антенн одной группы, и прямая, на которой находятся фазовые центры антенн другой группы, являются скрещивающимися.