Способ определения координат объекта

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) стационарного или подвижного объекта. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК объекта, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью. Указанный результат достигается за счет того, что наземными станциями передают радиосигналы (PC) в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с заданными частотами, содержащими заданные высокочастотные составляющие и заданные низкочастотные составляющие. При формировании и передаче PC обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На объекте осуществляют квадратурный прием совокупности высокочастотных PC с заданной частотой гетеродина. Полученные аналоговые квадратурные компоненты преобразуют в цифровые квадратурные компоненты (ЦКК). Последовательно формируют ЦКК для трех низкочастотных гармонических колебаний, соответствующих PC, передаваемым каждой станцией. Из полученных ЦКК формируют ЦКК, соответствующие гармоническим колебаниям на разностных частотах, и по этим ЦКК формируют ЦКК, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, но относящимися к PC, принятым от различных станций. По сформированным таким образом ЦКК (с учетом временных задержек, возникающих при формировании и передаче сигналов по линиям связи) однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций и по ним однозначно определяют ПК фазового центра антенны объекта.

 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения координат объектов, стационарных или подвижных, и управления их движением в зонах навигации. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат объекта.

Высокочастотные радиосигналы передают стационарные наземные станции с заданными координатами фазовых центров антенн, их принимают на объекте и определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Известны способы определения координат объектов, 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 №№2018855, 2096800, 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; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 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.: Машиностроение, 1979, с. 64-89; Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, с. 7, 17-18, пп. 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, недостаточные быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объекта по заявке RU №2016116871 (положительное решение).

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения пространственных координат объекта, находящегося в любой точке пространства, с высокой точностью. Это достигается тем, что системой наземных станций формируют и передают радиосигналы в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с заданными частотами, содержащими заданные высокочастотные составляющие и заданные низкочастотные составляющие. При формировании и передаче радиосигналов обеспечивают выполнение заданных в способе условий. На объекте осуществляют квадратурный прием совокупности высокочастотных радиосигналов с заданной частотой гетеродина. Полученные аналоговые квадратурные компоненты преобразуют в цифровые квадратурные компоненты. Последовательно формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие трем упомянутым низкочастотным гармоническим колебаниям, передаваемым каждой станцией. Из полученных цифровых квадратурных компонент формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на разностных частотах, и по этим цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, но относящимися к различным излучающим станциям. По сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам (с учетом временных задержек, возникающих при формировании и передаче сигналов по линиям связи) однозначно определяют относительные дальности до объекта от фазовых центров антенн станций. И по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат объекта, в том числе подвижного, с каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных n-х станций, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают высокочастотные радиосигналы в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_n,i=ƒ_i+ΔF_n, F_n,j=ƒ_j+ΔF_n, F_n,k=ƒ_k+ΔF_n, где ΔF_n - заданная для каждой n-й станции высокочастотная составляющая, а ƒ_i=iΔƒ, ƒ_j=jΔƒ, ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k, при этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1, при этом либо упомянутые высокочастотные радиосигналы формируют в едином центре, используя единую опорную частоту, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию, либо в едином центре формируют, используя единую опорную частоту, три низкочастотных гармонических колебания с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов, либо в едином центре формируют гармонический сигнал с единой опорной частотой и передают его по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов, причем упомянутые n-е высокочастотные радиосигналы формируют и передают, обеспечивая условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности временных задержек, возникающих при их формировании и передаче по линии связи, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ, а на объекте осуществляют квадратурный прием совокупности N высокочастотных сигналов с заданной частотой гетеродина, полученные аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, из полученных цифровых квадратурных компонент, при известных на объекте упомянутых числах i, j, k и частотах ΔF_n и Δƒ, формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒj и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты, из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах, по последним различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, и по сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом известных, в том числе на объекте, указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты объекта 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.

С каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядочение пронумерованных n-х станций, с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают высокочастотный радиосигнал в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_n,i=ƒ_i+ΔF_n, F_n,j=ƒ_j+ΔF_n, F_n,k=ƒ_k+ΔF_n, где ΔF_n - заданная для каждой n-й станции высокочастотная составляющая, а ƒi=iΔƒ, ƒ_j=jΔƒ и ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k. При этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1. При этом либо упомянутые высокочастотные радиосигналы формируют в едином центре, используя единую опорную частоту, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию. При формировании радиосигнала непосредственно на радиочастоте используются синтезаторы радиочастоты, или с промежуточным формированием низкочастотных составляющих (при этом, например, используется цифровой процессор для формирования в цифровом виде соответствующих низкочастотных составляющих синфазной и квадратурной компонент с дальнейшим их преобразованием в соответствующие им аналоговые компоненты, которые с заданной частотой гетеродина квадратурно преобразуют в упомянутый высокочастотный радиосигнал). Либо в едином центре формируют, используя единую опорную частоту, три низкочастотных гармонических колебания с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k. Передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов. Либо в едином центре формируют гармонический сигнал с единой опорной частотой и передают его по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов. Формирование упомянутого радиосигнала каждой станции не представляет сложности как с применением аналоговой, так и с применением цифровой схемотехники. Причем упомянутые n-е высокочастотные радиосигналы формируют и передают, обеспечивая условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности временных задержек, возникающих при их формировании и передаче по линии связи, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ.

Указанные выше условия необходимы, чтобы на максимальном масштабе, соответствующем упомянутому периоду T гармонических колебаний, укладывалось целое число длин волн, соответствующих двум другим колебаниям на разностных частотах. При этом их количество отличается на единицу, что упрощает однозначное определение положения сигнала внутри указанного масштаба при точности, определяемой более высокими разностными частотами.

На объекте осуществляют квадратурный прием совокупности N высокочастотных сигналов с заданной частотой гетеродина. Полученные аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты. Из полученных цифровых квадратурных компонент при известных на объекте упомянутых числах i, j, k и частотах ΔF_n и Δƒ формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты. Из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах. По последним различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами. При этом колебания, получающиеся на разностных частотах, не содержат случайные начальные фазы колебаний гетеродина.

По сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом известных, в том числе на объекте, указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.

Представление квадратурных компонент в цифровом виде дает определенное преимущество при решении задачи за счет простоты ее программной реализации. Цифровую обработку принятых сигналов можно реализовать как в спектральной (применение преобразования Фурье), так и временной области (применении цифровых фильтров). Кроме того, получение необходимых цифровых квадратурных компонент осуществляется с использованием простых тригонометрических соотношений, что также упрощает решение задачи.

В качестве метода определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, из защищенных патентами RU (№№2530232, 2530241, 2542659), или из защищенных международными заявками в системе РСТ (WO/2015/012738, WO/2015/012735, WO/2015/012736), или опубликованными 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 универсальной навигационно-посадочной системы.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта без привлечения дополнительной информации,

- требуется синхронизация только совокупности передающих станций, а на объекте, принимающем радиосигналы, используется своя система отсчета времени,

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

- обеспечивает возможность производить измерения с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники,

- позволяет осуществлять одновременные измерения на неограниченном количестве объектов.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объектов, а также 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».

Способ определения координат объекта, в том числе подвижного, при котором с каждой станции наземной системы, содержащей совокупность N упорядоченно пронумерованных n-х станций с заданными в трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, передают высокочастотные радиосигналы в виде трех высокочастотных гармонических колебаний с соответственно заданными частотами F_n,i=ƒ_i+ΔF_n, F_n,j=ƒ_j+ΔF_n, F_n,k=ƒ_k+ΔF_n, где ΔF_n - заданная для каждой n-й станции высокочастотная составляющая, a ƒ_i=iΔƒ, ƒ_j=jΔƒ и ƒ_k=kΔƒ - низкочастотные составляющие, Δƒ - заданная частота для формирования трех низкочастотных составляющих ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, индексы i, j, k являются заданными целыми числами и i<j<k, при этом i, j, k задают либо так, чтобы индекс j был равен i+1, либо так, чтобы индекс j был равен k-1, при этом либо упомянутые высокочастотные радиосигналы формируют в едином центре, используя единую опорную частоту, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию, либо в едином центре формируют, используя единую опорную частоту, три низкочастотных гармонических колебания с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k, и передают их по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов, либо в едином центре формируют гармонический сигнал с единой опорной частотой и передают его по соответствующим n-м линиям связи на каждую наземную n-ю станцию для последующего формирования упомянутых n-х высокочастотных радиосигналов, причем упомянутые n-е высокочастотные радиосигналы формируют и передают, обеспечивая условия, при которых расстояния между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенные к скорости распространения радиосигналов и увеличенные на абсолютную величину разности временных задержек, возникающих при их формировании и передаче по линии связи, не должны превышать периода T, равного 1/Δƒ, а на объекте осуществляют квадратурный прием совокупности N высокочастотных сигналов с заданной частотой гетеродина, полученные аналоговые квадратурные компоненты с пониженными частотами преобразуют в соответствующие им цифровые квадратурные компоненты, из полученных цифровых квадратурных компонент, при известных на объекте упомянутых числах i, j, k и частотах ΔF_n и Δƒ, формируют для каждого n-го радиосигнала соответствующие трем гармоническим колебаниям с упомянутыми частотами ƒ_i, ƒ_j и ƒ_k n-е цифровые квадратурные компоненты, из них формируют n-е цифровые квадратурные компоненты, соответствующие гармоническим колебаниям на их разностных частотах, по последним различным n-м цифровым квадратурным компонентам формируют цифровые квадратурные компоненты, соответствующие разностям фаз колебаний с одинаковыми разностными частотами, и по сформированным таким образом цифровым квадратурным компонентам с учетом известных, в том числе на объекте, указанных временных задержек однозначно определяют относительные дальности до объекта от указанных фазовых центров антенн станций, и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта.