Способ определения четырех расстояний от каждой из двух измерительных станций до каждого из двух транспондеров Российский патент 2018 года по МПК G01S13/32 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств определения координат объектов и может быть использовано, например, для управления движением подвижных объектов.

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

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ измерения дальности, описанный в патенте России №2584972, МПК G01S 13/32.

По этому способу измерения расстояния от измерительной станции до транспондера, включающему первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты исходных высокочастотных колебаний, усиление высокочастотных колебаний, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально в измерительной станции и в ретрансляторе двумя генераторами одновременно генерируют непрерывные низкочастотные высокостабильные колебания с максимально близкими частотами F и F^', одновременно с этим в измерительной станции генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₁, которые через циркулятор и через антенну измерительной станции первично излучают в направлении антенны транспондера, при этом часть энергии первоначально сгенерированных высокочастотных колебаний подают на смеситель, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают антенной транспондера и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой F^' от низкочастотного высокостабильного генератора транспондера, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают через циркулятор на антенну транспондера и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смеситель, где вторично принятые высокочастотные колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний , после чего измеряют и фиксируют разность фаз Δϕ_ИЗ1 между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой F^' и сигналом местного низкочастотного генератора с максимально близкой частотой F, после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом изменение разности фаз Δϕ_ИЗ2 низкочастотных сигналов с частотами F и F^', и при достижении величины разности фаз сигналов Δϕ_ИЗ2 = Δϕ_ИЗ1±2π = Δϕ_ИЗ1 изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний ƒ₂, при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны транспондера определяют по формуле:

,

где с - скорость света, при этом значения частот F и F^' высокостабильных низкочастотных генераторов выбирают близкими друг относительно друга настолько, насколько допускается изменение разности фаз сигналов, генерируемых этими генераторами за время выполнения всей процедуры измерения дальности или, другими словами, изменение этой разности фаз за все время измерения дальности не должно превышать абсолютной разрешающей способности применяемого измерителя разности фаз.

Однако, в случае если стоит задача обеспечить позиционирование объекта на плоскости, потребуется применение двух измерительных станций и двух транспондеров. При этом возникнет проблема электромагнитной совместимости двух измерительных станций. Для решения этой проблемы можно использовать различные пары частот ƒ₁ и ƒ₂, однако при этом вдвое расширится используемый системой частотный ресурс. Для сохранения частотного ресурса можно применить временное разделение, так, что измерительные станции будут работать последовательно во времени, но в этом случае частота обновления данных о расстоянии от измерительной станции до транспондера уменьшится вдвое, что в ряде случаев может привести к негативным последствиям.

Целью настоящего изобретения является обеспечение единовременной работы двух измерительных станций и двух транспондеров без расширения используемой полосы частот и с сохранением скорости обновления информации.

Поставленная цель достигается тем, что непрерывные высокочастотные колебания генерируют одновременно в двух измерительных станциях с принципиально разными, но близкими частотами, причем в первой измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, а во второй измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, после чего эти высокочастотные колебания передающими антеннами измерительных станций, каждой в отдельности, первично излучают в направлении двух транспондеров, где оба высокочастотных колебания первично принимают антеннами обоих транспондеров и одновременно сдвигают по частоте каждое высокочастотное колебание на частоту низкочастотных колебаний, но в каждом транспондере свою, в первом транспондере на частоту , а во втором транспондере на частоту , и получают в каждом транспондере пару трансформированных по частоте высокочастотных колебаний с частотами в первом транспондере и , а во втором транспондере с частотами и , после чего эти трансформированные по частотам высокочастотные колебания в каждом транспондере усиливают и вторично излучают в направлении измерительных станций, где их вторично принимают приемными антеннами измерительных станций и смешивают с исходными высокочастотными колебаниями, в каждой измерительной станции со своими частотами ƒ₁ и ƒ₂, после чего в каждой измерительной станции выделяют и усиливают пару низкочастотных составляющих с частотами и и в каждой измерительной станции измеряют две разности фаз между этими низкочастотными составляющими и сигналами местных опорных генераторов с частотами F₁ и F₂, при этом в каждой измерительной станции запоминают пару измеренных разностей фаз: и в первой измерительной станции и и во второй измерительной станции, после чего в первой измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, а во второй измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁ и всю процедуру измерений повторяют в той же последовательности, в результате чего получают вторую пару разностей фаз низкочастотных колебаний в каждой измерительной станции: и в первой измерительной станции и и во второй измерительной станции, после чего в каждой измерительной станции измеряют изменения разностей фаз для каждой пары низкочастотных колебаний, в результате чего получают четыре величины изменения разностей фаз: , , , и используя эти величины определяют четыре расстояния:

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной второго транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной второго транспондера,

причем передающая и приемная антенны каждой измерительной станции незначительно разнесены в пространстве, а расстояния D_i определяются между антенной транспондера и некоторой промежуточной точкой между передающей и приемной антеннами измерительной станции.

Указанный способ измерения дальности можно реализовать с помощью устройств, показанных на фиг. 1 и фиг. 2 и осуществлением измерений, схематично показанных на фиг. 3.

Устройство измерения дальности состоит из двух измерительных станций 33 и 34, каждая из которых имеет идентичную структурную схему, показанную на фиг. 1, и двух транспондеров 31 и 32, каждый из которых имеет идентичную структурную схему, показанную на фиг. 2. Измерительная станция состоит из генератора непрерывных высокочастотных колебаний 1(2), направленного ответвителя 3(4), смесителя 5(6), приемной антенны измерительной станции 7(8), передающей антенны измерительной станции 9(10), узкополосного усилителя-ограничителя первого канала 11(12), узкополосного усилителя-ограничителя второго канала 13(14), первого низкочастотного генератора 15(16), измерителя разности фаз первого канала 17(18), измерителя разности фаз второго канала 19(20), второго низкочастотного генератора 21(22). Транспондер состоит из антенны транспондера 23(24), управляемого двунаправленного фазовращателя 25(26), однопортового усилителя высокочастотных колебаний 27(28), низкочастотного генератора транспондера 29(30).

Выходы генераторов высокочастотных колебаний 1 и 2 соединены с входами направленных ответвителей 3 и 4 соответственно, при этом первые выходы направленных ответвителей 3 и 4 соединены с входами передающих антенн 9 и 10 измерительных станций, при этом вторые выходы направленных ответвителей 3 и 4 соединены с первыми входами смесителей 5 и 6, а выходы приемных антенн 7 и 8 измерительных станций соединены со вторыми входами смесителей 5 и 6, причем выходы смесителей 5 и 6 соединены с входами узкополосных усилителей-ограничителей первого канала 11 и 12 и со входами узкополосных усилителей-ограничителей второго канала 13 и 14, причем выходы узкополосных усилителей-ограничителей первого канала 11 и 12 соединены с первыми входами измерителей разности фаз первого канала 17 и 18, а выходы узкополосных усилителей-ограничителей второго канала 13 и 14 соединены с первыми входами измерителей разностей фаз второго канала 19 и 20, при этом выходы первых низкочастотных генераторов 15 и 16 соединены со вторыми входами измерителей разностей фаз первого канала 17 и 18, а выходы вторых низкочастотных генераторов 21 и 22 соединены со вторыми входами измерителей разности фаз второго канала 19 и 20, при этом антенны транспондеров 23 и 24 соединены с первыми выводами управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26, вторые выводы которых соединены с выводами однопортовых усилителей высокочастотных колебаний 27 и 28, при этом входы управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26 соединены с выходами низкочастотных генераторов транспондеров 29 и 30.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

В каждой измерительной станции первый и второй низкочастотные генераторы одновременно генерируют непрерывные низкочастотные колебания с частотами F₁ и F₂. При этом в транспондерах также генерируют низкочастотные колебания, причем в первом транспондере на частоте максимально близкой к F₁, а во втором - на частоте максимально близкой к F₂. С помощью генератора высокочастотных колебаний 1 первой измерительной станции первоначально генерируют непрерывные высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, начальной фазой ϕ₀₁ и амплитудой U₀₁

u₁₁(t) = U₀₁ sin(2πƒ₁ + ϕ₀₁),

а с помощью генератора высокочастотных колебаний 2 второй измерительной станции первоначально генерируют непрерывные высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, начальной фазой ϕ₀₂ и амплитудой U₀₂

u₂₁(t) = U₀₂ sin(2πƒ₂ + ϕ₀₂).

Эти колебания через направленные ответвители 3 и 4 с незначительными потерями энергии подают на передающие антенны 9 и 10 обоих измерительных станций 33 и 34 и излучают в направлении антенн 23 и 24 обоих транспондеров 31 и 32, как это схематично показано на фиг. 3. Высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, при распространении на расстояние D₁ от передающей антенны 9 измерительной станции 33 до антенны 23 транспондера 31 получают набег фазы , где с - скорость света. В то же время высокочастотные колебания с частотой ƒ₁ при распространении на расстояние D₃ от передающей антенны 9 измерительной станции 33 до антенны 24 транспондера 32 получают набег фазы . При этом высокочастотные колебания с частотой ƒ₂ при распространении на расстояние D₂ от передающей антенны 10 измерительной станции 34 до антенны 23 транспондера 31 получают набег фазы , а эти же высокочастотные колебания с частотой ƒ₂ при распространении на расстояние D₄ от передающей антенны 10 измерительной станции 34 до антенны 24 транспондера 32 получают набег фазы .

Принятые антеннами 23 и 24 транспондеров 31 и 32 высокочастотные колебания, имеющие некоторое суммарное затухание A_ij, которое с учетом усиления антенн можно выразить как

,

,

,

.

Эти сигналы подают на первые выводы управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26 обоих транспондеров 31 и 32, причем сигналы u₁₁₂ (t) и u₂₁₂ (t) подают на первый вывод управляемого двунаправленного фазовращателя 25, а сигналы u₁₂₂ (t) и u₂₂₂ (t) подают на первый вывод управляемого двунаправленного фазовращателя 26. Поскольку описываемая система является фазовой радиотехнической системой, то, не нарушая общности суждения, примем все амплитудные множители A_ij равными единице.

Высокочастотные сигналы со вторых выводов управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26 обоих транспондеров 31 и 32 подают далее на однопортовые усилители высокочастотных колебаний 27 и 28. Далее усиленные высокочастотные колебания повторно подают на вторые выводы управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26, в каждом транспондере на свой, где в эти непрерывные высокочастотные колебания под действием сигналов управления от низкочастотных генераторов 29 и 30 обоих транспондеров 31 и 32 вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. Если за время периода низкочастотного сигнала управления Т в высокочастотные колебания монотонно вводят фазовый сдвиг ϕ = 2π, то можно говорить, что эти колебания смещают на частоту , что можно интерпретировать с доплеровским сдвигом частоты

,

,

.

где - начальная фаза колебаний низкочастотного генератора 29, - начальная фаза колебаний низкочастотного генератора 30. После этого с первых выводов управляемых двунаправленных фазовращателей 25 и 26 трансформированные по частоте и фазе высокочастотные колебания подают на антенны 23 и 24 транспондеров 31 и 32 и переизлучают в направлении антенн 7 и 8 измерительных станций 33 и 34.

Проходя аналогичные расстояния D_i между антеннами 23 и 24 транспондеров 31 и 32 и приемными антеннами 7 и 8 измерительных станций 33 и34, трансформированные по частоте высокочастотные колебания получают дополнительные фазовые набеги

, , , .

Очевидно, что расстояния D_i и отличаются, поскольку передающие 9, 10 и приемные 7, 8 антенны измерительных станций 33 и 34 разнесены в пространстве. С другой стороны, разность этих расстояний фиксирована и может быть скорректирована в ходе вычислений. Таким образом можно сделать допущение, что .

Кроме того, частоты F₁ и F₂ ( и ) выбирают много меньше частот ƒ₁ и ƒ₂, поэтому можно говорить, что , а . Соответственно, принимая также во внимание, что , набеги фаз .

Таким образом, принятые приемными антеннами 7 и 8 измерительных станций 33 и 34 высокочастотные колебания можно описать следующими выражениями

,

,

.

Усилением передающих и приемных антенн 7, 8, 9 и 10 измерительных станций 33 и 34, усилением антенн 23 и 24 транспондеров 31 и 32, а также усилением однопортовых усилителей высокочастотных колебаний 27 и 28 транспондеров 31 и 32 обеспечивают требуемую энергетику линий связи.

Принятые вторично антеннами 7 и 8 измерительных станций 33 и 34 трансформированные по частоте непрерывные высокочастотные колебания подают на вторые входы смесителей 5 и 6, на первые входы которых подают часть энергии исходных непрерывных высокочастотных колебаний со вторых выходов направленных ответвителей 3 и 4.

На выходах смесителей 5 и 6 обоих измерительных станций 33 и 34 присутствуют комбинационные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, по две комбинационных составляющих с частотами и на выходе каждого смесителя. В измерительной станции 33 с помощью узкополосных усилителей-ограничителей 11 и 13 выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разностей исходных высокочастотных колебаний с частотой ƒ₁, и трансформированных по частоте колебаний с частотами и , причем на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 11 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой , а на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 13 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой . В тоже время в измерительной станции 34 с помощью узкополосных усилителей-ограничителей 12 и 14 выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разностей исходных высокочастотных колебаний с частотой ƒ₂ и трансформированных по частоте колебаний с частотами и , причем на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 12 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой , а на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 14 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой . Таким образом, на соответствующих выходах узкополосных усилителей-ограничителей 11, 12, 13 и 14 присутствуют соответствующие сигналы, описываемые следующими выражениями

,

,

,

.

Далее эти низкочастотные сигналы подают на соответствующие измерители разности фаз, причем в первой измерительной станции 33 сигнал u₁₁₅(t) подают на измеритель разности фаз первого канала 17, на второй вход которого подают сигнал первого низкочастотного генератора 15, а сигнал u₁₁₅ (t) подают на измеритель разности фаз второго канала 19, на второй вход которого подают сигнал второго низкочастотного генератора 21. В тоже время во второй измерительной станции 34 сигнал u_2l5(t) подают на измеритель разности фаз первого канала 18, на второй вход которого подают сигнал первого низкочастотного генератора 16, а сигнал u₂₂₅ (t) подают на измеритель разности фаз второго канала 20, на второй вход которого подают сигнал второго низкочастотного генератора 22.

В результате на выходах измерителей разностей фаз получают следующие значения: в измерительной станции 33 на выходе измерителя разности фаз первого канала 17 получают разность фаз , а на выходе измерителя разности фаз второго канала 19 получают разность фаз . В тоже время в измерительной станции 34 на выходе измерителя разности фаз первого канала 18 получают разность фаз , а на выходе измерителя разности фаз второго канала 20 получают разность фаз . После чего измеренные величины , , и запоминают.

Далее с помощью генератора высокочастотных колебаний 1 первой измерительной станции 33 генерируют непрерывные высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, в то время как с помощью генератора высокочастотных колебаний 2 второй измерительной станции 34 генерируют непрерывные высокочастотные колебания с частотой ƒ₁,. После этого производят измерения, аналогичные описанным выше.

В результате повторной процедуры измерения на выходах измерителей разностей фаз получают следующие значения: в измерительной станции 33 на выходе измерителя разности фаз первого канала 17 получают разность фаз , а на выходе измерителя разности фаз второго канала 19 получают разность фаз . В тоже время в измерительной станции 34 на выходе измерителя разности фаз первого канала 18 получают разность фаз , а на выходе измерителя разности фаз второго канала 20 получают разность фаз .

Когда в результате измерений зафиксировано восемь значений разностей фаз получают четыре величины изменения разностей фаз:

, , , , используя которые определяют четыре расстояния:

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной второго транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной второго транспондера, причем передающая и приемная антенны каждой измерительной станции незначительно разнесены в пространстве, а расстояния D_i определяются между антенной транспондера и некоторой промежуточной точкой между передающей и приемной антеннами измерительной станции.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью определять положение объекта на плоскости с использованием минимального частотного ресурса и с сохранением высокой скорости обновления данных. Это обеспечивается использованием двух пар измерительная станция - транспондер, попеременно работающих на одинаковых частотах.

Изобретение относится к области техники радиотехнический средств позиционирования и может быть использовано, например, для управления движением подвижных объектов. Достигаемый технический результат – уменьшение используемого частотного ресурса при сохранении скорости обновления данных о положении объекта. Указанный результат достигается за счет того, что в способе измерения дальности генерирование двух непрерывных низкочастотных колебаний в каждой измерительной станции осуществляют с одновременным генерированием в каждой измерительной станции высокочастотных колебаний, частота которых известна, но в каждой измерительной станции своя, излучение этих колебаний через передающие антенны, прием этих колебаний в обоих транспондерах, сдвиг на известную низкую частоту, которая у каждого транспондера своя и генерируется низкочастотным генератором транспондера, переизлучение, вторичный прием и выделение комбинационных составляющих с этими частотами с последующим измерением разности фаз этих комбинационных составляющих и сигналами местных низкочастотных генераторов. После этого частоты высокочастотных генераторов каждой измерительной станции меняют местами и проводят измерения аналогичные описанным выше. В результате получают четыре разности набега фаз, с помощью которых определяют четыре дальности - от каждой из двух измерительных станций до каждого из двух транспондеров. 3 ил.

Способ определения четырех расстояний от каждого из двух измерительных станций до каждого из двух транспондеров, характеризующийся тем, что непрерывные высокочастотные колебания генерируют одновременно в двух измерительных станциях с разными, но близкими частотами, причем в первой измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, а во второй измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, после чего эти высокочастотные колебания передающими антеннами измерительных станций, каждой в отдельности, первично излучают в направлении двух транспондеров, где оба высокочастотных колебания первично принимают антеннами обоих транспондеров и одновременно сдвигают по частоте каждое высокочастотное колебание на частоту низкочастотных колебаний, но в каждом транспондере свою, в первом транспондере на частоту , а во втором транспондере на частоту , и получают в каждом транспондере пару трансформированных по частоте высокочастотных колебаний с частотами в первом транспондере и, а во втором транспондере с частотами и, после чего эти трансформированные по частотам высокочастотные колебания в каждом транспондере усиливают и вторично излучают в направлении измерительных станций, где их вторично принимают приемными антеннами измерительных станций и смешивают с исходными высокочастотными колебаниями, в каждой измерительной станции со своими частотами ƒ₁ и ƒ₂, после чего в каждой измерительной станции выделяют и усиливают пару низкочастотных составляющих с частотами и и в каждой измерительной станции измеряют две разности фаз между этими низкочастотными составляющими и сигналами местных опорных генераторов с частотами F₁ и F₂, при этом в каждой измерительной станции запоминают пару измеренных разностей фаз: и в первой измерительной станции и и во второй измерительной станции, после чего в первой измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, а во второй измерительной станции генерируют высокочастотные колебания с частотой f₁ и всю процедуру измерений повторяют в той же последовательности, в результате чего получают вторую пару разностей фаз низкочастотных колебаний в каждой измерительной станции: и в первой измерительной станции и и во второй измерительной станции, после чего в каждой измерительной станции измеряют изменения разностей фаз для каждой пары низкочастотных колебаний, в результате чего получают четыре величины изменения разностей фаз: ,и, используя эти величины, определяют четыре расстояния:

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной первого транспондера;

- расстояние между антеннами первой измерительной станции и антенной второго транспондера;

- расстояние между антеннами второй измерительной станции и антенной второго транспондера,

причем передающая и приемная антенны каждой измерительной станции незначительно разнесены в пространстве, а расстояния D_i определяются между антенной транспондера и некоторой промежуточной точкой между передающей и приемной антеннами измерительной станции.