СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ИЗМЕРЕННЫМ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ДАЛЬНОСТЯМ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01S5/06 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат фазового центра (ФЦ) антенны источника радиоизлучения (ИР), находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, и управления его движением в зоне навигации. Радиосигнал формирует и передает источник радиоизлучения. Его принимают системой стационарных наземных станций с заданными координатами ФЦ их антенн, передают результаты принятых и обработанных на станциях радиосигналов в единый центр приема и обработки и в нем определяют пространственные координаты ФЦ антенны ИР по измеренным относительным дальностям. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат ФЦ антенны ИР.

Известны способы определения координат ИР, 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 №№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, 2617711, 2617448, 2620359, 2653506, 2657237; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 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.: 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, п.п. 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, не учитывают влияние на результат отражения радиоволн, например, от земли, не исключают случайные фазы гетеродинов, имеют недостаточные быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат ИР по патенту RU №2646595.

Преимуществом заявляемого способа определения координат ФЦ антенны ИР по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения пространственных координат ФЦ антенны ИР. Это достигается тем, что на объекте синхронизировано формируют и передают радиосигнал в виде трех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с заданной частотой. На каждой станции синхронизировано квадратурно принимают передаваемый с объекта радиосигнал. Потактно с заданными частотой дискретизации и количеством тактов в цикле формируют цифровые квадратурные компоненты (ЦКК). По сформированным ЦКК формируют три пары цифровых квадратурных компонент (К), соответствующих компонентам передаваемых радиосигналов. Затем формируют три пары цифровых квадратурных компонент посредством суммирования каждой из полученных К соответствующей пары. С использованием полученных таким образом цифровых квадратурных компонент формируют приведенные в способе параметры и по сформированным параметрам определяют временные задержки. Временные задержки передают в единый центр приема и обработки радиосигналов, где их корректируют, исключая известные в центре временные сдвиги, возникающие при приеме радиосигналов и их обработке на станциях. По скорректированным временным задержкам и при выполнении заданных в способе условий однозначно определяют относительные дальности до ФЦ антенны ИР от ФЦ антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны ИР.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения по измеренным относительным дальностям координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, передаваемые им радиосигналы принимают системой, состоящей из n-тых упорядоченно пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4, с известными в заданной трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте синхронизировано формируют и передают радиосигнал в виде трех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с соответственно заданной частотой F_i=F0+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 3, F0 - заданная частота, ΔF - заданный интервал между соседними i-тыми частотами, упомянутый радиосигнал синхронизировано квадратурно принимают на каждой наземной n-той станции, при этом либо осуществляют перенос его спектра посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют, потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-ом такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие ему цифровые квадратурные компоненты I_n,j и Q_n,j, по сформированным цифровым квадратурным компонентам формируют три пары цифровых квадратурных компонент xI_n,j,i и xQ_n,j,i, соответствующих i-тым компонентам передаваемых радиосигналов, принимаемых на n-тых станциях, в соответствии с выражениями

где IC_j,i=cos (2π jƒ_i / dƒ), QS_j,i=sin (2π jf_i / dƒ), ƒ_I - соответственно, либо частоты, полученные из упомянутых частот F_i посредством сдвига на частоту гетеродина при указанном переносе спектра, либо частоты, равные F_i в противном случае, а где s - заданное число, для сформированных таким образом трех пар цифровых квадратурных компонент формируют путем суммирования каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары три пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением

для каждого принимаемого на n-той станции сигнала последовательно с использованием ранее сформированных цифровых квадратурных компонент формируют параметры

где a tan2(x, y) равно величине угла (в радианах), образованного осью х и прямой, содержащей начало (0, 0) и точку (х, у), в интервале от -π до π, исключая (-π),

по сформированным таким образом параметрам определяют временные задержки dt_n в соответствии с выражением

Где sing(х) равно 0, если х=0, равно 1, если х>0, и равно -1, если х<0, передают значения dt_n в единый центр приема и обработки радиосигналов по соответствующим n-тым линиям связи, в нем корректируют dt_n, исключая из них известные в центре временные сдвиги, возникающие при приеме радиосигналов и их обработке на станциях, по скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до фазового центра антенны источника радиоизлучения от указанных фазовых центров антенн станций d_n при условии, что расстояние между фазовыми центрами антенн станций для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигнала и увеличенное на абсолютную величину разности известных в центре упомянутых временных сдвигов, не должно превышать значение периода Т, равного 1/ΔF, и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны источника радиоизлучения, указанный цикл последовательных действий повторяют.

Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты ФЦ антенны ИР 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. Радиосигнал принимают системой, состоящей из n-тых упорядоченно пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4,с известными в заданной трехмерной декартовой системе координатами ФЦ их антенн.

На объекте синхронизировано формируют и передают радиосигнал в виде трех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с соответственно заданной частотой F_i=F0+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 3, F0 - заданная частота, ΔF - заданный интервал между соседними i-тыми частотами. Этот радиосигнал синхронизировано квадратурно принимают на каждой наземной n-той станции. При этом либо осуществляют перенос его спектра посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют (в зависимости от располагаемой при реализации способа элементной базы и используемого частотного диапазона). Затем потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-том такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие ему цифровые квадратурные компоненты (ЦКК) I_n,j и Q_n,j. По сформированным ЦКК формируют три пары квадратурных компонент xI_n,j,i и xQ_n,j,i, соответствующих i-тым компонентам передаваемых сигналов, принимаемых на n-тых станциях, в соответствии с выражениями (1), в которых р(j) - функция Гаусса с математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением (СКО) заданное число s позволяет изменять СКО. Для сформированных таким образом трех пар цифровых квадратурных компонент формируют (путем суммирования по j каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары) три пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением (2). Для каждого принимаемого на n-той станции радиосигнала последовательно с использованием ранее сформированных цифровых квадратурных компонент (2) формируют параметры (3). По сформированным таким образом параметрам (3) определяют временные задержки dt_n в соответствии с выражением (4). Значения dt_n передают в единый центр (ЕЦ) приема и обработки радиосигналов по соответствующим n-тым линиям связи (электрическим, оптическим и др.). В ЕЦ корректируют dt_n, исключая из них известные в ЕЦ временные сдвиги, возникающие при приеме радиосигналов и их обработке на станциях. Если эти временные сдвиги одинаковые, то их можно не учитывать. По скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до ФЦ антенны ИР от указанных ФЦ антенн станций d_n. При этом должно быть выполнено условие, что расстояние между ФЦ антенн станций для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигнала и увеличенное на абсолютную величину разности известных в ЕЦ упомянутых временных сдвигов, не должно превышать значение периода Т, равного 1/ΔF. Далее по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны ИР. Указанный цикл (с количеством тактов J) последовательных действий повторяют.

В принципе, хотя это и не обязательно, значения величин ΔF, dƒ, J могут быть заданы таким образом, чтобы отношение продолжительности цикла, равной J/dƒ, к упомянутому периоду Т было целым числом. В этой ситуации определенные относительные задержки, например, для покоящегося объекта от цикла к циклу не будут изменяться во времени. Если это условие не выполняется, тогда каждая из относительных дальностей смещается на одну и ту же величину, что не влияет на точность определения координат по относительным дальностям. В принципе, можно после каждого цикла центрировать относительные дальности посредством исключения из каждой полученной в цикле относительной дальности среднего значения всех относительных дальностей, полученных в цикле, тогда относительные задержки, например, для покоящегося объекта также не будут изменяться во времени.

Представление квадратурных компонент в цифровом виде дает определенное преимущество при решении задачи за счет простоты ее программной реализации. Кроме того, входящие в выражение (1) параметры IС_j,i, QS_j,i и р(j) могут быть вычислены заранее по заданным значениям ƒ_i, dƒ м J, что вычислительно упрощает формирование соответствующих квадратур и существенно сокращает объем вычислений.

В качестве метода определения пространственных координат ФЦ антенны ИР по измеренным относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, из защищенных патентами RU (№№2530231, 2530239, 2530240, 2624463, 2640032) или из защищенных международными заявками в системе РСТ (WO/2015/012737, WO/2015/012733, WO/2015/012734) или из опубликованных 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 навигационно-посадочной системы. Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦ антенны ИР,

- между ИР и совокупностью принимающих станций не требуется общая синхронизация,

- исключает влияние отраженных, например, от земли, сигналов,

- позволяет исключить случайные фазы гетеродина передатчика и гетеродинов приемников,

- существенно упрощает прием и обработку радиосигналов,

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

- обеспечивает возможность производить измерения с использованием существующей элементной базы, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) 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 ИР, и 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 может использоваться для определения пространственных координат (ПК) источника радиоизлучения (ИР), находящегося на стационарном или подвижном объекте. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК ИР. Указанный результат достигается за счет того, что на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде трех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с заданной частотой. На каждой станции синхронизированно квадратурно принимают передаваемый с объекта радиосигнал. Потактно с заданными частотой дискретизации и количеством тактов в цикле формируют его цифровые квадратурные компоненты (ЦКК). По сформированным ЦКК формируют потактно заданным образом последующие три пары квадратурных компонент (КК), соответствующих компонентам передаваемого сигнала. Затем из них формируют три пары квадратурных компонент посредством суммирования каждой из полученных КК соответствующей пары. С использованием полученных КК формируют приведенные в способе параметры и по сформированным параметрам определяют временные задержки. Временные задержки передают в единый центр приема и обработки радиосигналов, где их корректируют, исключая известные в центре временные сдвиги, возникающие при приеме радиосигналов и их обработке на станциях. По скорректированным временным задержкам и при выполнении заданных условий однозначно определяют относительные дальности до ИР от антенн станций. По относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты ИР.

Способ определения по измеренным относительным дальностям координат источника радиоизлучения, находящегося на передающем радиосигналы объекте, в том числе подвижном, при котором передаваемые им радиосигналы принимают системой, состоящей из n-х упорядоченно пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4, с известными в заданной трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, а на объекте синхронизированно формируют и передают радиосигнал в виде трех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с соответственно заданной частотой F_i=F0+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 3, F0 - заданная частота, ΔF - заданный интервал между соседними i-ми частотами, упомянутый радиосигнал синхронизированно квадратурно принимают на каждой наземной n-й станции, при этом либо осуществляют перенос его спектра посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют, потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-м такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие ему цифровые квадратурные компоненты I_n,j и Q_n,j, по сформированным цифровым квадратурным компонентам формируют три пары цифровых квадратурных компонент xI_n,j,i и xQ_n,j,i, соответствующих i-м компонентам передаваемых радиосигналов, принимаемых на n-х станциях, в соответствии с выражениями

xI_n,j,i=(I_n,jIC_j,i+Q_n,jQS_j,i)p(j),

xQ_n,j,i=(Q_n,jIC_j,i-I_n,jQS_j,i)p(j),

где IC_j,i=cos (2π jƒ_i / dƒ), QS_j,i=sin(2π jƒ_i / dƒ), ƒ - соответственно либо частоты, полученные из упомянутых частот F_i посредством сдвига на частоту гетеродина при указанном переносе спектра, либо частоты, равные F_i в противном случае, а где s - заданное число, для сформированных таким образом трех пар цифровых квадратурных компонент формируют путем суммирования каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары три пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением

для каждого принимаемого на n-й станции сигнала последовательно с использованием ранее сформированных цифровых квадратурных компонент формируют параметры

где atan2(x,y) равно величине угла (в радианах), образованного осью х и прямой, содержащей начало (0, 0) и точку (х, у), в интервале от -π до π, исключая (-π),

y1_n=c3_n-c2_n, y2_n=c2_n-c1_n

st1_n=|x11_ny1_n-x12_ny2_n|, st2_n=|x21_ny1_n-x22_ny2_n|,

по сформированным таким образом параметрам определяют временные задержки dt_n в соответствии с выражением

dt_n=0.5[(1- sign (stl_n-st2_n)) t1_n+(l+sign (st1_n-st2_n)) t2_n],

где sign(x) равно 0, если x=0, равно 1, если x>0, и равно -1, если х<0, передают значения dt_n в единый центр приема и обработки радиосигналов по соответствующим n-м линиям связи, в нем корректируют dt_n, исключая из них известные в центре временные сдвиги, возникающие при приеме радиосигналов и их обработке на станциях, по скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до фазового центра антенны источника радиоизлучения от указанных фазовых центров антенн станций d_n при условии, что расстояние между фазовыми центрами антенн станций для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигнала и увеличенное на абсолютную величину разности известных в центре упомянутых временных сдвигов, не должно превышать значение периода Т, равного 1/ΔF, и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны источника радиоизлучения, указанный цикл последовательных действий повторяют.