СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2020 года по МПК G01S5/10 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат (ПК) фазового центра (ФЦ) антенны радиотехнического объекта (РО), в том числе, подвижного, и управления его движением в зоне навигации. Радиосигналы (р/с) с индивидуальными признаками формируют и передают наземной пунктовой радиотехнической системой (НПРС) с заданными и известными на РО координатами ФЦ их антенн. Совокупность переданных станциями радиосигналов принимают на РО, обрабатывают и определяют пространственные координаты ФЦ антенны РО по измеренным относительным дальностям. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат ФЦ антенны объекта.

Известны способы определения координат, основанные на использовании амплитудных, временных, импульсных, частотных, фазовых и импульсно-фазовых методов измерения параметров сигнала (Патенты РФ 2022297, 2096800, 2192022, 2213979, 2232402, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2584976, 2587471, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506, 2620359, 2638572, 2640032, 2653506, 2657237; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630А1. 2016/0330584А1, 2016/0337933А1, Пат.FR 2504275; 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 СВ. 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, большую мощность передатчика, сложность обнаружения движущихся объектов на фоне отражений от неподвижных объектов в импульсном методе, необходимость иметь несколько антенн, высокие требования к линейности ПЧМ сигнала в частотном методе, неоднозначность определения из-за повторения фазы через период в фазовом методе, необходимость наличия единой системы времени передающей р/с системы и объекта, либо наличия усложненных способов синхронизации, недостаточное быстродействие и точность и др.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат РО по патенту RU №2530241.

Преимуществом заявляемого способа определения координат РО по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения координат с небольшим количеством измеряемых параметров без привлечения дополнительной информации о местоположении РО и отсутствие требования обеспечения наличия единой системы времени на РО и НПРС.Это достигается тем, что р/с с индивидуальными признаками формируют и передают наземной пунктовой радиотехнической системой (НПРС), включающей не менее четырех упорядоченно пронумерованных пунктов, координаты фазовых центров антенн (ФЦА) которых известны на РО. Кроме того, р/с принимают и идентифицируют для каждого пункта на наземной контрольной станции (КС) с подвижной антенной (ПА), которую перемещают таким образом, что ее фазовый центр (ФЦ) перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью. При фиксированном положении ФЦ ПА измеряют частотное отклонение спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного его положения для каждого пункта. При перемещении антенны измеряют проекции скорости перемещения ФЦ ПА на прямые, соединяющие ФЦ ПА с ФЦА пунктов, соответствующие им ускорения, производные этих ускорений по времени и по этим проекциям и указанной угловой скорости определяют изменяющиеся во времени времена прохождения р/с от ФЦ ПА до ФЦА пунктов в соответствии с предложенным уравнением измерения. Эту информацию передают на соответствующие пункты, где информацию о ЧОС и временных сдвигах используют, соответственно, для частотной подстройки на каждом пункте и для общей синхронизации передаваемых всеми пунктами р/с.При приеме и идентификации р/с на РО определяют относительные дальности от ФЦА РО до ФЦА пунктов и по ним и известным координатам ФЦА пунктов НПРС однозначно определяют ПК ФЦА РО.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат радиотехнического объекта, стационарного или подвижного, формируют и передают радиосигналы с заданными индивидуальными признаками, содержащие, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, наземной пунктовой радиотехнической системой с упорядоченно пронумерованных n-тых пунктов, где индекс n изменяется от 1 до N ≥ 4, обеспечивая частотную подстройку и синхронизацию передаваемых радиосигналов, их принимают на указанном радиотехническом объекте, при этом фазовые центры передающих антенн каждого n-того пункта находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами Χ_n, Υ_n, Ζ_n в заданной трехмерной декартовой системе координат (Χ, Υ, Ζ), кроме того, указанные радиосигналы принимают и идентифицируют для каждого n-того пункта системы на контрольной наземной радиотехнической станции, прием радиосигналов на этой станции осуществляют либо на стационарную антенну, либо на подвижную антенну, положение фазового центра которой фиксируют, измеряют частотное отклонение спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения для каждого n-того пункта, перемещают антенну контрольной наземной радиотехнической станции таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью ω из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени Δt, и измеряют проекции скорости перемещения фазового центра подвижной антенны контрольной наземной радиотехнической станции v_n(t) на прямые, соединяющие фазовый центр указанной подвижной антенны с фазовыми центрами антенн n-тых пунктов, измеряют соответствующие им ускорения a_n(t), производные b_n(t) этих ускорений по времени и по указанным проекциям скорости v_n(t), ускорения a_n(t), производным b_n(t) этих ускорений по времени и указанной угловой скорости ω определяют времена, изменяющиеся во времени, прохождения радиосигналов от фазового центра указанной подвижной антенны до фазовых центров антенн п-тых пунктов в соответствии с уравнением измерения T_n(t)=-3v_n(t)a_n(t)/(b_n(t)+ω²v_n(t))c, где с - скорость распространения радиосигналов, кроме того, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, определяют изменяющиеся во времени относительные временные задержки tr_n(t), для каждого n-того пункта определяют временные сдвиги между T_n(t) и tr_n(t), отображают и передают полученную информацию потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты системы, на каждом n-том пункте принимают и идентифицируют соответствующую ему информацию об указанном измеренном частотном отклонении спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге, с использованием информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра обеспечивают частотную подстройку на каждом n-том пункте, а с использованием информации об указанном временном сдвиге, корректируя временную задержку посылки радиосигнала каждого n-того пункта с учетом указанного временного сдвига, обеспечивают общую синхронизацию передаваемых всеми пунктами радиосигналов, при приеме радиосигналов на радиотехническом объекте их идентифицируют соответствующим n-тым передающим радиосигналы пунктам, определяют, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, относительные дальности от фазового центра антенны принимающего радиосигналы объекта до фазовых центров антенн передающих радиосигналы n-тых пунктов и по относительным дальностям и известным на радиотехническом объекте координатам X_n, Y_n, Z_n фазовых центров передающих антенн каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны радиотехнического объекта.

Кроме того, перемещения антенны контрольной наземной радиотехнической станции осуществляют из заданного положения в другое заданное положение на указанной круговой траектории, в том числе, и через заданное число полных циклов оборотов, а также и с изменением направления перемещения.

Также по дальностям D_n(t), равным T_n(t)c, и известным на контрольной наземной станции координатам X_n, Y_n, Z_n фазовых центров передающих антенн каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы в указанной трехмерной декартовой системе координат (Χ, Υ, Ζ) определяют дальномерным методом изменяющиеся во времени координаты x(t), y(t), z(t) фазового центра принимающей подвижной антенны контрольной наземной радиотехнической станции.

Кроме того, измерения указанных D_n(t) производят на заданных участках указанной круговой траектории.

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.

Радиосигналы (р/с) с индивидуальными признаками, содержащие, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, формируют и передают наземной пунктовой радиотехнической системой с упорядоченно пронумерованных n-тых пунктов, где индекс n изменяется от 1 до Ν ≥ 4, обеспечивая частотную подстройку и синхронизацию передаваемых р/с.Радиосигналы принимают на радиотехническом объекте, стационарном или подвижном, при этом фазовые центры передающих антенн каждого n-того пункта находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами Χ_n, Υ_n, Ζ_n в заданной трехмерной декартовой системе координат (Χ, Υ, Ζ). Кроме того, р/с принимают и идентифицируют для каждого n -того пункта системы на контрольной наземной радиотехнической станции. Прием р/с на КС осуществляют либо на стационарную антенну, либо на подвижную антенну, положение фазового центра которой фиксируют, и измеряют частотное отклонение спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения для каждого n-того пункта.

Антенну контрольной наземной радиотехнической станции перемещают таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью ω из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени Δt.

Измеряют проекции скорости перемещения ФЦ подвижной антенны КС v_n(t) на прямые, соединяющие ФЦ подвижной антенны с ФЦ антенн n-тых пунктов. Также измеряют соответствующие им ускорения a_n(t) и производные b_n(t) этих ускорений по времени. По проекциям скорости v_n(t), ускорения a_n(t), производным b_n(t) этих ускорений по времени и указанной угловой скорости ω определяют времена, изменяющиеся во времени, прохождения р/с от ФЦ подвижной антенны до ФЦ антенн n-тых пунктов в соответствии с указанным уравнением измерения. Кроме того, определяют изменяющиеся во времени относительные временные задержки tr_n(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие. Для каждого n-того пункта определяют временные сдвиги между T_n(t) и tr_n(t).

Полученную информацию отображают и передают потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты системы. На каждом n- том пункте принимают и идентифицируют соответствующую ему информацию об указанном измеренном частотном отклонении спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге. С использованием информации об измеренном ЧОС обеспечивают частотную подстройку (получение заданного положения спектра передаваемых им радиосигналов) на каждом n- том пункте, С использованием информации о временном сдвиге, корректируя временную задержку посылки радиосигнала каждого n-того пункта с учетом указанного временного сдвига, обеспечивают общую синхронизацию передаваемых всеми пунктами радиосигналов.

При приеме р/с на радиотехническом объекте их идентифицируют соответствующим n- тым передающим р/с пунктам, определяют, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, относительные дальности от ФЦ антенны принимающего р/с РО до ФЦ антенн передающих р/с n - тых пунктов. По относительным дальностям и известным на РО координатам Χ_n, Υ_n, Ζ_n ФЦ передающих антенн каждого n-того пункта НПРС однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны РО. Для определения пространственных координат ФЦ антенны РО по относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, по патентам RU №№2530231, 2530239, 2530240, 2638572 или по международным заявкам в системе РСТ (WO/2015/012733, WO/2015/012734, WO/2015/012737) или опубликованным в статьях автора (Алгоритм определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него//Нелинейный мир. 2015. №5. С. -41; Итерационный алгоритм определения пространственных координат объекта //Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. №7. С. 64-69).

Перемещения антенны КС осуществляют из заданного положения в другое заданное положение на указанной круговой траектории, в том числе, и через заданное число полных циклов оборотов, а также и с изменением направления перемещения.

Также по дальностям D_n(t), равным T_n(t)c, и известным на КС координатам X_n, Y_n, Z_n ФЦ передающих антенн каждого n-того пункта НПРС в трехмерной декартовой системе координат (Χ, Υ, Ζ) определяют дальномерным методом (например, по патентам автора RU №№2484604, 2484605 или опубликованным в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом//Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13 .№4, С. 3-8]) изменяющиеся во времени координаты x(t), y(t), z(t) ФЦ принимающей подвижной антенны КС.

Измерения указанных D_n(t) производят на тех заданных участках указанной круговой траектории, на которых отсутствуют сингулярности в уравнении измерения.

Антенну устанавливают на заданном расстоянии от оси вращения приемного антенного устройства, снабженного сервоприводом с программируемым логическим контроллером, противовесами для балансировки, датчиком кругового перемещения, токосъемником и другими необходимыми элементами. Подобные устройства, в которых оси устройств совпадают с осями их вращения широко используются в технике, например, в радарах (habr.com Справочник по антеннам для радаров; yandex.ru Вращающиеся антенны локаторов. Обращения 12.03.2020). В устройстве, реализующем данный способ, ось антенны смещают относительно оси вращения приемного антенного устройства, что обеспечивает круговую траекторию перемещения антенны и ФЦА. Тем не менее, часть элементов, необходимых для обеспечения работы, например, локаторов, может быть использована и при реализации данного способа.

Измерение скоростей основано на измерении смещения частоты сигнала, связанного с эффектом Доплера. Аналогичный способ может быть применим и при использовании других диапазонов частот (оптических, акустических).

Перечислим основные достоинства способа:

- пространственные координаты РО определяются однозначно с высокой точностью без привлечения дополнительной априорной информации о его местоположении:

- не требуется единая система времени на РО и НПРС;

- реализация способа проще и дешевле, чем известных аналогов;

- осуществляется частотная подстройка у всех передаваемых НПРС р/с по эталонному генератору принимающей радиосигналы КС;

- обеспечивается общая синхронизация передаваемых всеми пунктами р/с;

- не предъявляются высокие требования к вычислительной системе по быстродействию и объему памяти.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования навигационных систем.

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 навигации, в том числе радионавигации, и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) стационарного или подвижного радиотехнического объекта (РО). Технический результат - отсутствие, в том числе, требования наличия единой системы времени для передающего и принимающего радиосигналы (р/с) объектов. Способ характеризуется тем, что р/с с индивидуальными признаками формируют и передают наземной пунктовой радиотехнической системой (НПРС), включающей не менее четырех упорядоченно пронумерованных пунктов, координаты фазовых центров антенн (ФЦА) которых известны на РО. Кроме того, р/с принимают и идентифицируют для каждого пункта на наземной контрольной станции (КС) с подвижной антенной (ПА), которую перемещают таким образом, что ее фазовый центр (ФЦ) перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью. При фиксированном положении ФЦ ПА измеряют частотное отклонение спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного его положения для каждого пункта. При перемещении антенны измеряют проекции скорости перемещения ФЦ ПА на прямые, соединяющие ФЦ ПА с ФЦА пунктов, соответствующие им ускорения, производные этих ускорений по времени и по этим проекциям и указанной угловой скорости определяют изменяющиеся во времени времена прохождения р/с от ФЦ ПА до ФЦА пунктов в соответствии с предложенным уравнением измерения. Эту информацию передают на соответствующие пункты, где информацию о ЧОС и временных сдвигах используют, соответственно, для частотной подстройки на каждом пункте и для общей синхронизации передаваемых всеми пунктами р/с. При приеме и идентификации р/с на РО определяют относительные дальности от ФЦА РО до ФЦА пунктов и по ним и известным координатам ФЦА пунктов НПРС однозначно определяют ПК ФЦА РО. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ определения координат радиотехнического объекта, стационарного или подвижного, при котором формируют и передают радиосигналы с заданными индивидуальными признаками, содержащие, в том числе, по крайней мере три заданные гармонические составляющие, наземной пунктовой радиотехнической системой с упорядоченно пронумерованных n-х пунктов, где индекс n изменяется от 1 до N ≥ 4, обеспечивая частотную подстройку и синхронизацию передаваемых радиосигналов, их принимают на указанном радиотехническом объекте, при этом фазовые центры передающих антенн каждого n-го пункта находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами X_n, Y_n, Z_n в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z), кроме того, указанные радиосигналы принимают и идентифицируют для каждого n-го пункта системы на контрольной наземной радиотехнической станции, прием радиосигналов на этой станции осуществляют либо на стационарную антенну, либо на подвижную антенну, положение фазового центра которой фиксируют, измеряют частотное отклонение спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения для каждого n-го пункта, перемещают антенну контрольной наземной радиотехнической станции таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью ω из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени Δt, и измеряют проекции скорости перемещения фазового центра подвижной антенны контрольной наземной радиотехнической станции ν_n(t) на прямые, соединяющие фазовый центр указанной подвижной антенны с фазовыми центрами антенн n-х пунктов, измеряют соответствующие им ускорения a_n(t), производные b_n(t) этих ускорений по времени и по указанным проекциям скорости ν_n(t), ускорения a_n(t), производным b_n(t) этих ускорений по времени и указанной угловой скорости ω определяют времена, изменяющиеся во времени, прохождения радиосигналов от фазового центра указанной подвижной антенны до фазовых центров антенн n-х пунктов в соответствии с уравнением измерения T_n(t)=-3ν_n(t)a_n(t)/(b_n(t)+ω²ν_n(t))c, где с - скорость распространения радиосигналов, кроме того, используя указанные по крайней мере три гармонические составляющие, определяют изменяющиеся во времени относительные временные задержки tr_n(t), для каждого n-го пункта определяют временные сдвиги между T_n(t) и tr_n(t), отображают и передают полученную информацию потребителям, в том числе на соответствующие n-е пункты системы, на каждом n-м пункте принимают и идентифицируют соответствующую ему информацию об указанном измеренном частотном отклонении спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге, с использованием информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра обеспечивают частотную подстройку на каждом n-м пункте, а с использованием информации об указанном временном сдвиге, корректируя временную задержку посылки радиосигнала каждого n-го пункта с учетом указанного временного сдвига, обеспечивают общую синхронизацию передаваемых всеми пунктами радиосигналов, при приеме радиосигналов на радиотехническом объекте их идентифицируют соответствующим n-м передающим радиосигналы пунктам, определяют, используя указанные по крайней мере три гармонические составляющие, относительные дальности от фазового центра антенны принимающего радиосигналы объекта до фазовых центров антенн передающих радиосигналы n-х пунктов и по относительным дальностям и известным на радиотехническом объекте координатам X_n, Y_n, Z_n фазовых центров передающих антенн каждого n-го пункта наземной пунктовой радиотехнической системы однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны радиотехнического объекта.

2. Способ определения координат радиотехнического объекта по п. 1, отличающийся тем, что перемещения антенны контрольной наземной радиотехнической станции осуществляют из заданного положения в другое заданное положение на указанной круговой траектории, в том числе, и через заданное число полных циклов оборотов, а также и с изменением направления перемещения.

3. Способ определения координат радиотехнического объекта по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по дальностям D_n(t), равным T_n(t)c, и известным на контрольной наземной станции координатам X_n, Y_n, Z_n фазовых центров передающих антенн каждого n-го пункта наземной пунктовой радиотехнической системы в указанной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z) определяют дальномерным методом изменяющиеся во времени координаты x(t), y(t), z(t) фазового центра принимающей подвижной антенны контрольной наземной радиотехнической станции.

4. Способ определения координат радиотехнического объекта по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что измерения указанных D_n(t) производят на заданных участках указанной круговой траектории.