СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБСТВЕННОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ Российский патент 2024 года по МПК G01C21/08 G01R29/08 G01S1/08 G01S13/06 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и может быть использовано в системах контроля собственного местоположения объекта навигации в качестве альтернативного способа определения координат, в частности, в условиях нарушения работы или выходе из строя приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS и др.).

Известен разностно-дальномерный способ определения местоположения мобильных объектов (аналог) [1] (независимый п. 1 формулы изобретения).

Способ, заключающийся в поочередном излучении сетью опорных навигационных пунктов, расположенных в точках пространства с известными координатами, когерентных гармонических сигналов, их приеме на мобильном объекте, принятых от каждого опорного объекта и вычислении по ним координат мобильного объекта.

Недостатком способа является необходимость использования высокоточной шкалы единого времени на объекте навигации, точная синхронизация сигналов радиоизлучающих объектов, а также сложность реализации при больших расстояниях между опорными радионавигационными точками и объектом навигации.

Известен также способ определения собственного местоположения судна на основе сигналов автоматической идентификационной системы и устройство для его осуществления (аналог) [2].

Способ заключается в определении азимутальных углов прихода сигналов от трех или более независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами, в качестве которых могут быть использованы суда, буи или береговые станции, определение географических координат радиоизлучающих объектов путем декодирования и анализа информации, содержащийся в сигналах, принимаемых от них, и последующим вычислении собственного местоположения объекта на основе определенных координат радиоизлучающих объектов и азимутальных углов между ними применяемым в геодезии методом однократной или многократной обратной засечки.

Недостатком способа является получение только географических координат объекта навигации: широты и долготы. Использование антенной системы с разносом антенных элементов не менее λ/2 друг от друга, где λ - максимальная длина волны сигналов в диапазоне работы устройства, приводит к существенным ошибкам определения собственного местоположения объекта навигации, обусловленным неоднозначной оценкой разности фаз между приемными каналами пеленгатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ определения собственного местоположения объекта в пространстве (прототип) [3] (независимый п. 1 формулы изобретения).

Способ заключается в приеме сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами с использованием антенной системы, установленной на объекте навигации, измерении параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, определении параметров векторов направлений на радиоизлучающие объекты с известными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, определении собственного местоположения объекта навигации на основе измеренных параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами.

Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является относительно невысокая точность определения собственных координат объекта навигации, так как при измерении параметров радиосигнала не учитываются его поляризационные параметры, а также возникает необходимость использования антенных систем с разнесенными в пространстве элементами, что в большинстве случаев невозможно ввиду ограниченных габаритов самого объекта навигации.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного объекта является расширение координатного пространства области применения навигационной системы при повышении точности определения собственного местоположения объекта навигации за счет обеспечения согласования по поляризации между приемной антенной системой и полем приходящей электромагнитной волны от радиоизлучающего объекта с известными координатами.

Дополнительно, определение ориентации вектора напряженности магнитного поля в пространстве, позволяет исключить операции сканирования по пространственным и поляризационным параметрам, что позволит сократить временные затраты при измерении параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в приеме сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами с использованием антенной системы, установленной на объекте навигации, измерении параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, определении собственного местоположения объекта навигации на основе измеренных параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами, в качестве антенной системы используют триортогональную рамочную антенную систему (ТОРАС).

Измерения и расчеты выполняют в топоцентрической декартовой системе координат (ДСК) OXYZ и ДСК, связанной с объектом навигации O_онX_онY_онZ_он.

Выбирают N≥2 независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами и эллиптически поляризованными радиоизлучениями.

Измеряют углы ориентации ТОРАС.

Измеряют в момент времени t₁ с помощью ТОРАС ортогональные компоненты H_x,n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁), где n=1…N, векторов напряженности магнитного поля H_n(t₁) принятых сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами.

Измеряют в моменты времени t₂ с помощью ТОРАС ортогональные компоненты H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), и H_z,n(t₂) векторов напряженности магнитного поля H_n(t₂) принятых сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами.

С учетом измеренных углов ориентации TOPAC ξ_α, ξ_β, ξ_γ, ортогональных компонент H_x,n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁) и H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), H_z,n(t₂) определяют ориентацию векторов напряженности магнитного поля H_{n T}(t₁) и H_{n T}(t₂) в топоцентрической ДСК OXYZ, строят 2N вспомогательных плоскостей Ω_n(t₁) и Ω_n(t₂) так, что бы они были перпендикулярны векторам H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) и проходили через соответствующие радиоизлучающие объекты с известными координатами. На пересечениях плоскостей Ω_n(t₁) и Ω_n(t₂) строят N линий местоположения объекта l_n, которые проходят через n-й радиоизлучающий объект с известными координатами. Определяют собственное местоположение объекта навигации как точку пересечения линий собственного местоположения объекта l_n.

Интервалы между моментами времени t₁ и t₂ выбирают равным четверти периода электромагнитной волны измеряемого радиосигнала.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков при реализации заявленного способа обеспечивается согласование по поляризации между приемной ТОРАС и полем приходящей электромагнитной волны радиоизлучающего объекта с известными координатами, что исключает возникновение дополнительных ошибок в определении линий собственного местоположения объекта навигации, следовательно, указывает на возможность повышения точности определения собственных координат объекта навигации.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 ТОРАС в ДСК связанной с объектом навигации O_онX_онY_онZ_он;

на фиг. 2 углы ориентации ТОРАС в трехмерном пространстве;

на фиг. 3 графическое представление определения линий местоположения объекта навигации;

на фиг. 4 графическое представление способа определения собственного местоположения объекта в пространстве.

Традиционные угломерные способы и методы определения координат объекта основаны на ортогональности фронта фаз к направлению на источники радиоизлучения (ИРИ). Используя фазовый пеленгатор с антенной системой, имеющей жесткую привязку к осям объекта навигации, измеряют углы прихода радиосигналов радиоизлучающих объектов в азимутальной и угломестной плоскостях в связанной локальной системе координат объекта навигации [4-7].

Основой данных способов пеленгования радиосигналов принято считать различие времени прихода радиоволны в разнесенные точки пространства. При этом точность пеленгования радиосигналов неизвестной поляризации классическими способами, ориентированными на обработку электромагнитного поля определенной поляризации, дает значительные погрешности пеленгования, если поляризационные характеристики пеленгаторной антенной системы не согласованы с поляризацией падающих волн. Повышение точности пеленгования в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгаторной антенной системы, то есть разнесением в пространстве антенных элементов пеленгаторной антенной системы [7].

Также существует другой класс методов определения координат объекта, основанный на ортогональности векторов напряженности электрического и магнитного поля [8-12], который в настоящее время недостаточно изучен. Изучение и применение методов этого класса становится особо актуальным при использовании малогабаритных летательных аппаратов в качестве платформы для развертывания средств пеленгования ИРИ [11].

Информация о пространственном положении ИРИ содержится в значениях тех или иных параметров радиосигналов, поступающих на вход антенной системы объекта навигации: амплитуда, частота, фаза, время запаздывания и поляризационные параметры радиоволны.

Учет поляризационных параметров радиоволны возможен за счет измерения пространственного положения вектора напряженности магнитного поля. Для определения ориентации вектора напряженности магнитного поля в пространстве необходимо определить три его ортогональные составляющие в системе координат объекта навигации [10].

Пространственная ориентация вектора напряженности магнитного поля на объекте навигации Н определяется с помощью сосредоточенной ТОРАС, состоящей из трех антенных элементов (АЭ) 1, 2 и 3 в виде рамок [6, 7].

Измерения и расчеты выполняют в топоцентрической декартовой системе координат (ДСК) OXYZ и ДСК связанной с объектом навигации O_онX_онY_онZ_он в которой центр координат O_он совмещен с центром ТОРАС, оси O_онX_он, Y_онZ_он и O_онZ_он перпендикулярны АЭ 1, 2 и 3 соответственно (фиг. 1).

Выбирают N≥2 независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами (x_n; y_n; z_n), где n=1…N - номер радиоизлучающего объекта.

Измеряют углы ориентации ТОРАС относительно топоцентрической ДСК. Существуют различные методы определения ориентации твердого тела в трехмерном пространстве, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее распространенным методом определения ориентации твердого тела в трехмерном пространстве является метод углов Эйлера, согласно которому твердое тело может быть переведено из начального положения в любое конечное положение с помощью трех последовательных поворотов вокруг осей OZ, OY, ОХ на соответствующие углы курса ξ_n, крена ξ_β и тангажа ξ_γ (фиг. 2).

Измеряют параметры сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в связанной с объектом навигации ДСК, для чего в моменты времени t₁ и t₂ измеряют значения ортогональных компоненты Н_х,n, H_y,n, и H_z,n не менее двух векторов напряженности магнитного поля H_n в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ ТОРАС 1, 2 и 3 соответственно (фиг. 1).

С учетом измеренных углов ориентации ТОРАС ξ_α, ξ_β, ξ_γ, ортогональных компонент H_x,n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁) и H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), H_z,n(t₂) определяют ориентацию векторов напряженности магнитного поля H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) в топоцентрической ДСК OXYZ. Для этого путем векторного сложения ортогональных компонент Н_х,n, Н_у,n, и H_z,n определяют ориентацию векторов напряженности магнитного поля H_n в пространстве и запоминают их.

Алгоритм расчета координат собственного местоположения объекта навигации представлен в приложении А.

В интересах повышения точности определения собственного местоположения объекта в пространстве интервалы между моментами времени t₁ и t₂ выбирают равным четверти периода электромагнитной волны измеряемого радиосигнала.

Проверка возможности достижения сформулированного технического результата была проведена путем компьютерного моделирования.

Методика проверки точности определения координат собственного местоположения объекта навигации в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех.

Исходными данными является эллиптически поляризованное радиоизлучение на входе ТОРАС пеленгатора при различных параметрах сигнала и взаимном расположении объекте навигации и радиоизлучающих объектов с известными координатами. В ходе имитационного моделирования установлено, что выигрыш при использовании разработанного способа составляет 5…20% в зависимости от количества радиоизлучающих объектов с известными координатами, топологии их взаимного размещения относительно объекта навигации, поляризационных параметров сигналов радиоизлучающих объектов и отношения сигнал/шум на входе радиоприемного устройства объекта навигации.

Реализация заявленного способа преимущественно целесообразна при размещении ТОРАС на подвижном объекте, в частности на летательном аппарате, при этом отсутствует необходимость высокоточного определения углов ориентации летательного аппарата в пространстве.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М: Радио и связь, 1994, с. 211-214.

2. Патент №2685705 (Россия). Способ определения собственного местоположения судна на основе сигналов автоматической идентификационной системы и устройство для его осуществления / С.В. Трусов, О.И. Барабошкин, A.M. Кузнецов, С.А. Бобровский. - 2019.

3. Патент №2779283 (Россия). Способ определения собственного местоположения объекта в пространстве и устройство его реализующее / В.В. Беляев, А.Ю. Бондарцов, Ю.А. Бондарцов, Г.С. Ковалев. - 2022.

4. Дворников С.В., Саяпин В.Н., Симонов А.Н. Теоретические основы координатометрии источников радиоизлучений. Учебное пособие. - СПб.: ВАС, 2007. - 80 с.

5. Липатников В.А., Соломатин А.И., Терентьев А.В. Радиопеленгация. Теория и практика. - СПб.: ВАС, 2006. - 358 с.

6. Волков Р.В., Дворников С.В., Саяпин В.Н., Симонов А.Н. Основы построения и функционирования разностно-дальномерных систем координатометрии источников радиоизлучений. - СПб.: ВАС, 2013. - 116 с.

7. Основы построения и функционирования угломерных систем координатометрии источников радиоизлучений: Учеб. пособие / Под ред. А.Н. Симонова. - СПб.: ВАС, 2017. - 248 с.

8. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: «Советское радио», 1966. - 440 с.

9. Комарович В.Ф., Никитченко В.В. Методы пространственной обработки радиосигналов. - Л.: ВАС, 1989. - 278 с.

10. Патент №2624449 (Россия). Способ поляризационного пеленгования радиосигналов С.В. Богдановский, Р.В. Волков, В.В. Севидов, А.Н. Симонов. - 2017.

11. Способ определения координат беспилотного летательного аппарата на основе поляризационной обработки радиоизлучений реперных станций / С.В. Богдановский, А.Н. Симонов, С.Ф. Теслевич, А.Б. Махетов // Наукоемкие технологии. - 2017. - Т. 18, №11. - С. 16-21.

12. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1973. - 832 с.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и может быть использовано в системах контроля собственного местоположения объекта навигации в качестве альтернативного способа определения координат, в частности, в условиях нарушения работы или выходе из строя приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS и др). Техническим результатом при использовании заявленного объект является расширение области применения навигационной системы при повышении точности определения собственного местоположения объекта навигации за счет обеспечения согласования по поляризации между приемной антенной системой и полем приходящей электромагнитной волны от радиоизлучающих объектов с известными координатами. В заявленном способе осуществляют определение собственного местоположения объекта навигации в пространстве путем приема радиосигналов от N≥2 независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами с использованием триортогональной рамочной антенной системой (ТОРАС), установленной на объекте навигации и измерение с ее помощью в моменты времени t₁ и t₂ троек ортогональных компонент H_x,n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁) и H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), H_z,n(t₂), векторов напряженности электрического поля H_n(t₁) и H_n(t₂) принятых сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами. Далее проводят измерение углов ориентации ТОРАС в пространстве, определение ориентации векторов напряженности электрического поля H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) в топоцентрической ДСК OXYZ с учетом измеренных углов ориентации ТОРАС ξ_α, ξ_β, ξ_γ. Формируют вспомогательные плоскости Ω_n(t₁) и Ω_n(t₂) так, чтобы они были перпендикулярны векторам H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) и проходили через соответствующие радиоизлучающие объекты с известными координатами. Определяют линии местоположения объекта l_n на пересечениях этих плоскостей и вычисляют координаты собственного местоположения объекта навигации как точки пересечения линий местоположения объекта l_n. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ определения собственного местоположения объекта в пространстве, заключающийся в том, что принимают сигналы от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами с использованием антенной системы, установленной на объекте навигации, измеряют параметры сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, определяют собственное местоположение объекта навигации на основе измеренных параметров сигналов от радиоизлучающих объектов с известными координатами, отличающийся тем, что в качестве антенной системы используют триортогональную рамочную антенную систему (ТОРАС), а измерения и расчеты выполняют в топоцентрической декартовой системе координат (ДСК) OXYZ и ДСК, связанной с объектом навигации O_онX_онY_онZ_он, выбирают N≥2 независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами и эллиптически поляризованными радиоизлучениями, измеряют углы ориентации ТОРАС, измеряют в момент времени t₁ с помощью ТОРАС ортогональные компоненты H_x,n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁) векторов напряженности магнитного поля H_n(t₁) принятых сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами, где n=1…N - номер радиоизлучающего объекта, измеряют в момент времени t₂ с помощью ТОРАС ортогональные компоненты H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), и H_z,n(t₂) векторов напряженности электрического поля H_n(t₂) принятых сигналов от независимых радиоизлучающих объектов с известными координатами, с учетом измеренных углов ориентации ТОРАС ξ_α, ξ_β, ξ_γ, ортогональных компонент H_x,_n(t₁), H_y,n(t₁), H_z,n(t₁) и H_x,n(t₂), H_y,n(t₂), H_z,n(t₂) определяют ориентацию векторов напряженности электрического поля H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) в топоцентрической ДСК OXYZ, строят 2N вспомогательных плоскостей Ω_n(t₁) и Ω_n(t₂) так, чтобы они были перпендикулярны векторам H_{n т}(t₁) и H_{n т}(t₂) и проходили через соответствующие радиоизлучающие объекты с известными координатами, на пересечениях плоскостей Ω_n(t₁) и Ω_n(t₂) строят N линий местоположения объекта l_n, которые проходят через n-й радиоизлучающий объект с известными координатами, определяют собственное местоположение объекта навигации как точку пересечения линий местоположения объекта l_n.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интервалы между моментами времени t₁ и t₂ выбирают равным четверти периода электромагнитной волны измеряемого радиосигнала.