СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01S5/10 

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 системой стационарных наземных станций с заданными координатами фазовых центров антенн и в ней определяют фазовый центр антенны объекта. Реализация способа позволит в том числе упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность 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, 2213979, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2584976, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 2016/0327630 А1. 2016/0330584 А1, 2016/0337933 А1; 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 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 заявке RU №2016116872 (положительное решение).

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения пространственных координат объекта, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью. Это достигается тем, что на объекте формируют и передают радиосигнал в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с заданными частотами, содержащими заданную высокочастотную составляющую и заданные низкочастотные составляющие. При приеме и обработке радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На каждой из станций принимают передаваемый сигнал. Принятые сигналы передают по соответствующим линиям связи (электрическим, оптическим и др.) в единый центр. В едином центре осуществляют квадратурный прием высокочастотных радиосигналов, принятых от каждой из станций с заданными частотами гетеродинов. Для них полученные аналоговые квадратурные компоненты преобразуют в цифровые квадратурные компоненты. Последовательно формируют для каждого радиосигнала цифровые квадратурные компоненты, соответствующие трем упомянутым низкочастотным гармоническим колебаниям. Из полученных цифровых квадратурных компонент формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на разностных частотах, и по этим цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разкостными частотами, но относящимися к различным принятым сигналам. По сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам (с учетом временных задержек, возникающих при приеме, передаче по линии связи и обработке радиосигналов) однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

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, состоящей из N≥4 упорядоченно пронумерованных n-х наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте формируют и передают высокочастотный радиосигнал в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_i=ƒ_i+ΔF, F_j=ƒ_j+ΔF, F_k=ƒ_k+ΔF, где ΔF - заданная высокочастотная составляющая, а ƒ_i=iΔƒ, ƒ_j=iΔƒ, ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k, при этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1, упомянутый высокочастотный радиосигнал синхронизированно принимают на каждой наземной n-й станции и передают его по соответствующим n-м линиям связи в единый центр приема и обработки радиосигналов с известными в нем для каждой из станций временными задержками, возникающими при его приеме, передаче по линии связи и обработке, при этом в принимающей радиосигналы системе также известны упомянутые числа i, j, k и частоты ΔF и Δƒ при приеме, передаче и обработке обеспечивают условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих указанных временных задержек, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ в указанном едином центре, в том числе используя единую опорную частоту генератора, осуществляют квадратурный прием каждого n-го из принятых по линиям связи N высокочастотных радиосигналов с заданными частотами гетеродинов, при этом либо частоты гетеродинов задают равными для всех N сигналов, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами, преобразуют каждую из аналоговых квадратурных компонент в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, либо частоты гетеродинов задают разными, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами, формируют общую для всех N сигналов одну аналоговую синфазную и одну аналоговую квадратурную компоненты, суммируя каждую из N аналоговых синфазных компонент и отдельно суммируя каждую из N аналоговых квадратурных компонент, сформированные таким образом аналоговые компоненты преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, из полученных цифровых квадратурных компонент формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты, из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах, по последним различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, и по сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

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, состоящей из N≥4 упорядоченно пронумерованных n-х наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн. На объекте формируют высокочастотный радиосигнал в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_i=ƒ_i+ΔF, F_j=ƒ_j+ΔF, F_k=ƒ_k+ΔF, где ΔF - заданная высокочастотная составляющая, а ƒ_i=iΔƒ, ƒ_j=jΔƒ и ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k. Индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k. При этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1.

Формирование упомянутого радиосигнала не представляет сложности как с применением аналоговой, так и с применением цифровой схемотехники. Радиосигнал может быть сформирован как непосредственно на радиочастоте (при этом используются синтезаторы радиочастоты), так и с промежуточным формированием низкочастотных составляющих (при этом, например, используется цифровой процессор для формирования в цифровом виде соответствующих низкочастотных составляющих синфазной и квадратурной компонент с дальнейшим их преобразованием в соответствующие им аналоговые компоненты, которые с заданной частотой гетеродина квадратурно преобразуют в упомянутый высокочастотный радиосигнал).

Указанные выше условия необходимы, чтобы на максимальном масштабе, соответствующем упомянутому периоду T гармонических колебаний, укладывалось целое число длин волн, соответствующих двум другим колебаниям на разностных частотах. При этом их количество отличается на единицу, что упрощает однозначное определение положения сигнала внутри указанного масштаба при точности, определяемой более высокими разностными частотами.

Сформированный высокочастотный радиосигнал передают с объекта. Его синхронизированно принимают на каждой наземной n-й станции и передают его по соответствующим n-м линиям связи в единый центр приема и обработки радиосигналов. В этом центре известны для каждой из станций временные задержки, возникающие при приеме, передаче по линии связи и обработке радиосигнала. При этом в принимающей радиосигналы системе также известны упомянутые числа i, j, k и частоты ΔF и Δƒ. При приеме, передаче и обработке радиосигналов обеспечивают условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих указанных временных задержек, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ.

Эти условия обеспечивают однозначное определение относительных дальностей до объекта от указанных фазовых центров антенн станции.

В едином центре осуществляют квадратурный прием каждого n-го из принятых по линиям связи N высокочастотных радиосигналов с заданными частотами гетеродинов, в том числе используя единую опорную частоту генератора. При этом, если частоты гетеродинов задают равными для всех N радиосигналов, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами и преобразуют каждую из аналоговых квадратурных компонент в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты. Если же частоты гетеродинов задают разными, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами и формируют общую для всех N радиосигналов одну аналоговую синфазную и одну аналоговую квадратурную компоненты, суммируя каждую из N аналоговых синфазных компонент и отдельно суммируя каждую из N аналоговых квадратурных компонент. Использование единой опорной частоты дает более точное определение координат.

Сформированные таким образом аналоговые компоненты преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты. Из полученных цифровых квадратурных компонент формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты. Из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах. По полученным различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами. При этом колебания, получающиеся на разностных частотах, не содержат случайные начальные фазы гармонических колебаний и случайные фазы колебаний гетеродина.

По сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций. По относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта. При этом исключаются случайные начальные фазы излучаемых гармонических колебаний и случайные фазы колебаний гетеродина.

Представление квадратурных компонент в цифровом виде дает определенное преимущество при решении задачи за счет простоты ее программной реализации. Цифровую обработку принятых сигналов можно реализовать как в спектральной (применение преобразования Фурье), так и временной области (применении цифровых фильтров). Кроме того, получение необходимых цифровых квадратурных компонент осуществляется с использованием простых тригонометрических соотношений, что также упрощает решение задачи.

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, из защищенных патентами RU (№№2530231, 2530239, 2530240), или из защищенных международными заявками в системе РСТ (WO/2015/012737, WO/2015/012733, WO/2015/012734), или опубликованными в статьях автора (Алгоритм определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него // Нелинейный мир. 2015. №5. С.38-41; Итерационный алгоритм определения пространственных координат объекта // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т.14. №7. С.64-69).

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

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта, без привлечения дополнительной информации,

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

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

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

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 радионавигации и технике связи и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) объекта - источника радиоизлучения (ИР), находящегося на стационарном или подвижном объекте. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК ИР, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью. Указанный результат достигается за счет того, что на объекте формируют и передают радиосигнал (PC) в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с заданными частотами, содержащими заданную высокочастотную составляющую и заданные низкочастотные составляющие. При приеме и обработке PC обеспечивают выполнение заданных в способе условий. Принятые на каждой из станций PC передают по соответствующим линиям связи в единый центр. В нем осуществляют квадратурный прием высокочастотных PC, принятых от каждой из станций с заданными частотами гетеродинов. Для них полученные аналоговые квадратурные компоненты преобразуют в цифровые квадратурные компоненты (ЦКК). Последовательно формируют для каждого PC ЦКК, соответствующие трем упомянутым низкочастотным гармоническим колебаниям. Из полученных ЦКК формируют ЦКК, соответствующие гармоническим колебаниям на разностных частотах, и по этим ЦКК формируют ЦКК, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, но относящимися к различным принятым PC. По сформированным таким образом ЦКК (с учетом временных задержек, возникающих при приеме, передаче по линии связи и обработке PC) однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций и по ним однозначно определяют ПК фазового центра антенны объекта.

Способ определения координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, при котором радиосигналы принимают системой, состоящей из N≥4 упорядочение пронумерованных n-х наземных станций, где n изменяется от 1 до N, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте формируют и передают высокочастотный радиосигнал в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_i=ƒ_i+ΔF, F_j=ƒ_j+ΔF, F_k=ƒ_k+ΔF, где ΔF - заданная высокочастотная составляющая, a ƒ_i=iΔƒ, ƒ_j=jΔƒ и ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k, при этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1, упомянутый высокочастотный радиосигнал синхронизированно принимают на каждой наземной n-й станции и передают его по соответствующим n-м линиям связи в единый центр приема и обработки радиосигналов с известными в нем для каждой из станций временными задержками, возникающими при его приеме, передаче по линии связи и обработке, при этом в принимающей радиосигналы системе также известны упомянутые числа i, j, k и частоты ΔF и Δƒ, при приеме, передаче и обработке обеспечивают условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности соответствующих указанных временных задержек, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ, в указанном едином центре, в том числе, используя единую опорную частоту генератора, осуществляют квадратурный прием каждого n-го из принятых по линиям связи N высокочастотных радиосигналов с заданными частотами гетеродинов, при этом либо частоты гетеродинов задают равными для всех N сигналов, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами, преобразуют каждую из аналоговых квадратурных компонент в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, либо частоты гетеродинов задают разными, тогда для каждого принятого n-го радиосигнала выделяют аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами, формируют общую для всех N сигналов одну аналоговую синфазную и одну аналоговую квадратурную компоненты, суммируя каждую из N аналоговых синфазных компонент и отдельно суммируя каждую из N аналоговых квадратурных компонент, сформированные таким образом аналоговые компоненты преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, из полученных цифровых квадратурных компонент формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты, из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах, по последним различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, и по сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.