Система определения местоположения подвижного объекта

 

Изобретение относится к радиолокационной технике. Сущность: система, содержащая аппаратуру подвижного объекта, n базовых станции и основную станцию, отличается тем, что с целью повышения точности определения местоположения объекта в состав аппаратуры подвижного объекта введены декодер маркера, приемник и развязывающий блок, в состав аппаратуры каждой базовой станции введены декодер маркера, декодер адреса и измеритель временного интервала, а в состав основной радиостанции введены синхронизатор, передатчик и развязывающий блок. Введение указанных каскадов позволяет с высокой точностью измерить время прохождения радиоволн от базовых станций до подвижного объекта, что позволяет вычислителю основной станции более точно, чем в прототипе, вычислить местоположение подвижного объекта. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокационной технике, а именно к системам вторичной радиолокации.

Известны [1] системы определения местоположения подвижного объекта, содержащие (фиг. 1) аппаратуру 1 подвижного объекта (ПО) включающую в себя антенну (Ант) 2, передатчик 3, ключ включения 4, аппаратуру решетки из N радиоприемных устройств (базовых станций) 5, содержащую антенну 6, развязывающий блок (РБ) 7, передатчик (ПРД) 8, приемник (ПРМ) 9, измеритель уровня сигнала (ИУС) 10, аппаратуру основной радиоприемной станции 11, состоящей из антенны 12, приемника 13 и вычислителя местоположения 14.

При необходимости передать сигнал тревоги замыкается ключ 4 аппаратуры 1 и передатчик 3 начинает формировать сигналы, которые излучаются антенной 2, принимаются антеннами 6 базовых станций (БС) 5, через РБ 7 поступают на ПРМ 9, усиливаются им и поступают на ИУС 10, вычисляющий по уровню принятого сигнала расстояние между БС и ПО и кодированный сигнал ИУС 10, содержащий информацию об измеренном расстоянии модулирует ПРД 8, колебания которого через РБ 7 подводятся к антенне 6, излучаются, принимаются антенной 12 основной радиостанции 11, усиливаются приемником 13 и поступают на вычислитель 14, который по информации, полученной от ряда БС, принявших сигнал ПО, вычисляет местоположение объекта.

Недостатком этой системы является низкая точность определения местоположения.

При распространении радиоволн в свободном пространстве расстояние R между подвижным объектом может быть определено по формуле где L длина волны; σ₁,σ₂ коэффициенты усиления антенн подвижного средства и БС соответственно; P_пр принимаемая мощность.

Следовательно, определив P_пр и зная L,σ₁ и σ₂, можно вычислить R. Однако, как показано в [2] в условиях города среднее значение принятой мощности сигнала в зависимости от расположения улиц, на которых установлены передатчик и приемник, может изменяться на 10-20 дБ. Это приведет к тому, что измеренные значения R могут отличаться в 3.10 раз при квадратичном законе изменения мощности принятого сигнала. В условиях города изменение мощности происходит по закону где n показатель степени.

Как показано в [3] n зависит от высоты поднятия антенн приемника h ПРМ и передатчика h ПРД.

Например, при h ПРД=1,5 м и h ПРМ=70 м, n=3,3.

В этих условиях описанное в [2] изменение мощности отраженного сигнала приведет к разбросу R в 2.4 раза.

Т. е. при номинальном значении R=1 км может быть вычислено R'=0,5 км или R"=4 км, что затрудняет обнаружение ПО, подавшего сигнал тревоги.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности определения координат подвижного объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в систему определения местоположения подвижного объекта, содержавшую аппаратуру подвижного объекта, включающую в себя антенну и последовательно соединенные ключ и передатчик, аппаратуру базовых станций, состоящую из последовательно соединенных антенн, развязывающего блока, к второму входу которого подключен передатчик, и приемника, аппаратуру основной радиоприемной станции, состоящую из антенны и последовательно соединенных приемника и вычислителя, введены в состав аппаратуры подвижного объекта последовательно соединенные развязывающий блок, приемник и декодер маркера, первый вход развязывающего блока подключен к выходу антенны, а второй к выходу передатчика, выход декодера маркера соединен с вторым входом передатчика, вторые входы приемника и декодера маркера соединены с выходом ключа, в состав базовой станции введены измеритель временного интервала, последовательно соединенные декодер маркера и декодер адреса, входы измерителя временного интервала подключены к выходам передатчика и приемника, а выход к первому входу передатчика, первый вход декодера маркера и второй вход декодера адреса подключены к выходу приемника, а выход декодера адреса к второму входу передатчика, а в состав основной радиоприемной станции введены последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и развязывающий блок, вход-выход которого подсоединен к антенне, а выход к входу приемника.

Выходом системы является вычислитель местоположения основной радиоприемной станции (РПС).

Сущность заявляемой системы состоит в том, что РПС вырабатывает СВЧ-импульсы, содержащие маркер и код БС, приняв которые БС, адрес которой совпал с кодом излучаемого сигнала, вырабатывает маркерные импульсы и одновременно запускает дальномер. Если подвижному средству необходимо подать сигнал тревоги, то включается его приемопередатчик, принимающий маркерные импульсы БС, которые усиливаются приемником, декодируются и запускают передатчик, излучающий сигнал тревоги, который принимается БС, измеряющей время Т между своим излученным импульсом и принятым от ПО. По измеренному времени Т вычисляется расстояние R= c·T/2, где с скорость света, измеритель временного интервала (дальномер) формирует код, содержащий маркер и код дальности. Этот сигнал модулирует передатчик БС, СВЧ-колебания которого излучаются антенной БС, принимаются основой РПС и поступают на вычислитель.

Получив информацию о дальностях между ПО и минимум 3-х БС вычислитель основной РПС определяет местоположение ПО.

Таким образом, основное отличие заявляемой системы от прототипа является то, что местоположение ПО осуществляется не по уровню принятого БС сигнала, а по дальностям между ПО и тремя БС, что позволяет повысить точность определения местоположения ПО.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие вновь введенных блоков: развязывающего блока, приемника, декодера маркера в аппаратуре подвижного объекта; декодера маркера, декодера адреса и дальномера в БС; развязывающего блока, передатчика и синхронизатора в основной РПС, причем вычисление местоположения проводят по измеренным БС дальностям.

Введение подобных блоков для повышения точности определения ПО, подающего сигнал бедствия из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".

Вновь введенные блоки широко известны [4, 5] Однако их применение в соответствии с описанными связями дает возможность существенно повысить точность определения месторождения ПО.

Такое решение явным образом не следует из уровня техники, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Система может быть использована для подачи сигналов бедствия инкассаторами, водителями подвижных средств, работниками правоохранительных органов и отдельными гражданами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема прототипа; на фиг.2 - функциональная схема предлагаемой системы; на фиг.3 эпюры напряжений, поясняющие принцип работы предлагаемой системы.

Система содержит аппаратуру 1 подвижного объекта, в состав которой входят антенна (Ант) 2, развязывающий блок (РБ) 3, передатчик (ПРД) 4, приемник (ПРМ) 5, декодер маркера 6, ключ включения передатчика 7, аппаратуру 8 нескольких приемных устройств (базовых станций БС), в состав каждого из которых входят антенна 9, развязывающий блок 10, передатчик 11, приемник 12, декодер маркера (Дек М) 15, декодер адреса (Дек А) 14, измеритель временного интервала, аппаратура основной радиоприемной станции 16, в состав которой входят антенна 17, развязывающий блок 18, передатчик 19, синхронизатор 20, приемник 21, вычислитель 22.

Система работает следующим образом. При необходимости передачи сигнала тревоги включается ключ 7, подающий напряжение питания на аппаратуру подвижного объекта. Синхронизатор 20 формирует импульсы "а", следующие с периодом T и содержащие маркер и информационную часть, содержащую адрес БС, причем код адреса БС изменяется от импульса к импульсу от 1-ой БС до последней (N-ной). Эти импульсы запускают передатчик 19, колебания которого через развязывающий блок 18 подводятся к антенне 17. Излученные антенной 17 колебания "б" принимаются антеннами 9 базовых станций 8, через РБ 10 подводятся к приемнику 11 усиливаются им и поступают на декодер маркера 13, который выделяет маркер и запускает декодер адреса 14.

Если код, переданный основной РПС 16, совпадает с адресом БС, то на выходе декодера адреса 14 возникает импульс "в", запускающий передатчик 11, колебания которого через РБ 10 подводятся к антенне 9, излучаются, и через время ti принимаются антенной 2 подвижного средства 1 и через РБ 3 поступают на приемник 5, усиливаются им и поступают на декодер маркера 6, на выходе которого возникает импульс "д", передатчик 4 начинает генерировать колебания, которые через РБ 3 подводятся к антенне 2, излучаются и принимаются антенной 9 базовой станции 8, усиливаются приемником 12, поступают на вход измерителя временного интервала 15, измеряющего время между излученным импульсом и принятым импульсом "е" и преобразующего это время в код, который поступает на передатчик 11, формирующий импульсы "ж", содержащие маркер и код, соответствующий дальности от первой базовой станции до объекта, подавшего сигнал тревоги. Эти колебания "з" принимаются антенной 17 основной РПС 16, усиливаются приемником 21 и поступают на вычислитель 22.

В следующий период синхронизатор 20 формирует код, содержащий номер 2-ой БС, которая, приняв этот код, излучает импульс опроса подвижных объектов. Если подвижный объект оказался в зоне действия 2-ой БС, то он формирует ответный сигнал, который принимается 2-ой БС, измеряющей время задержки от ее антенны до объекта и передающей это время в виде кода основной РПС, которая приняв этот сигнал передает его в вычислитель 22 и т.д.

По измеренным расстояниям от объекта до первой, второй и третьей станций вычислитель 22 определяет местоположение объекта. Для уменьшения флюктуационной ошибки измерения дальности в вычислителе происходит усреднение по n измерениям.

Преимуществом заявляемой системы по сравнению с прототипом является большая точность вычисления местоположения подвижного объекта, которая определяется лишь ошибками измерения дальности между подвижным объектом и БС и может быть рассчитана по формуле где σ_ПРДn,σ_ПРМm σ_g ошибки, вызываемые изменением времени задержки в цепях передатчика, приемника и декодера аппаратуры подвижного объекта; σ_ПРМБС нестабильность времени задержки в цепях приемника БС.

Ошибки, связанные с возможностью изменения масштаба не учитывались, т.к. в измерителе временного интервала может быть использован кварцевый генератор, имеющий нестабильность частоты 10^-4, что приводит к ошибке 1 м при измерении R < 10 км.

Как показано в [6] при использовании приемников с полосой пропускания 4-5 МГц и построении модулятора передатчика и декодера на ВЧ-транзисторах σ_ПРДn≈ σ_ПР≈ σ_g≈ σ_ПРМБС= 15 м, т.е. σ_g 30 м, что менее, чем на порядок меньше, чем в прототипе.

В случае необходимости повышения точности могут быть использованы решения по уменьшению σ.

Система может быть реализована. Если считать что высота установки антенны ПО 1-3 м, высота установки антенны БС приблизительно 50 м, несущая частота лежит в диапазоне 900 МГц, то согласно [3] показатель степени n лежит между 2,4 и 3,3.

Приняв n 3, расстояние R 2000 м, коэффициент усиления антенны 2 ПО равным 1, а коэффициент усиления s₂, антенны БС равным 3, получим, что потери в радиолинии БС-ПО

или 10·lg N_рл 127 дБ.

При длительности бита t_б 2 мкс и длительности фронта бита τ_ф 0,5 мкс, необходимая полоса пропускания приемника

При построении гетеродинов и задающих генераторов на поверхностных акустических волнах относительная нестабильность их частот При f 8·10⁸, Δf 40 ·10³ Гц, т.е. полоса пропускания приемника определяется только спектром сигнала. Тогда при коэффициенте шума K_ш 2 коэффициенте различимости Д=10 чувствительность приемника

или 10·lg N_пр≈ 130 дБ/Вт.

Следовательно, для обеспечения дальности действия 2 км достаточно иметь импульсную мощность передатчика 1 Вт, которая может быть получена с помощью малогабаритного полупроводникового генератора.

Система обеспечивает малое время получения информации о тревоге.

Как следует из фиг. 3, период повторения
T_п 2 R_БС/c + n_а·t_б + 2 R_ПО/c + t₃+п_д·t_бд,
где n_а, n_д число бит адресов и дальности;
R_БС, R_ПО расстояния между основной и базовой станцией и базовой станцией и подвижным средством;
t_ба, t_бд длительность бита адреса и дальности соответственно.

Считалось, что длительность бита t_ба=2 мкс, число базовых станций N_б 64 достаточно для перекрытия города с площадью 100 км², поэтому n_а=6.

Дискрет дальности выбирался 25 м, при R_по 2000 м необходимо n_д 7.

Если считать, что максимальное расстояние между БС и РПС составляет 15 км, то
T_n 100 мкс + 6·2 + 13 + 7·2 ≈140 мкс.

Около 20 мкс необходимо на получение сигнала от ПО.

Следовательно с большим запасом период повторения Т_п импульсов синхронизатора может быть выбран равным 500 мкс. Если считать, что число БС N_б равно 64 и происходит усреденение по K 8 измерениям, то время обновления информации
T_ои T_п · N_б · K 500 · 64 · 8 0,128 с,
т.е. необходимо менее 0,2 с для принятия сигнала тревоги.

Литература
1. Система для определения местоположения движущегося объекта. Патент США N 5055851. РЖС, Изобретения стран мира, выпуск 85, МКИ σ 01 K·S, N 10, M. 1993, с. 36.

2. Под редакцией У.К. Джейкса. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. М. Связь, 1979, с. 81.101.

3. Трубин Б. М. Шевцов В.П. Трепахин О.А. Цифровые системы радиотелефонной связи для сельской местности. Зарубежная радиоэлектроника, N 9, 1991.

4. М.В. Вамберский, В.П. Абрамов, В.И. Казанцев. Конструирование развязывающих устройств НИ СВЧ Радио и связь, 1982.

5. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М. Мир, 1982.

6. Радиосистема для охраны помещений. УПКБ Деталь, 1993.

Формула изобретения

Система определения местоположения подвижного объекта, содержащая аппаратуру подвижного объекта, включающую в себя антенну и последовательно соединенные ключ и передатчик, аппаратуру N базовых станций, состоящую из последовательно соединенных антенны, развязывающего блока, к второму входу которого подключен передатчик, и приемника, аппаратуру основной радиоприемной станции, состоящую из антенны и последовательно соединенных приемника и вычислителя, отличающаяся тем, что в состав аппаратуры подвижного объекта введены последовательно соединенные развязывающий блок, приемник и декодер маркера, первый вход развязывающего блока подключен к выходу антенны, а второй к выходу передатчика, выход декодера маркера соединен с вторым входом передатчика, вторые входы приемника и декодера маркера соединены с выходом ключа, в состав базовой станции введены измеритель временного интервала, последовательно соединенные декодер маркера и декодер адреса, входы измерителя временного интервала подключены к выходам передатчика и приемника, а выход к первому входу передатчика, первый вход декодера маркера и второй вход декодера адреса подключены к выходу приемника, а выход декодера адреса к второму входу передатчика, а в состав основной радиоприемной станции введены последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и развязывающий блок, вход-выход которого подсоединен к антенне, а выход к входу приемника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3