Способ определения координат движущегося объекта

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться для определения пространственных координат движущегося объекта и управления его движением в зонах навигации. Технический результат - отсутствие требований обеспечения синхронизированной передачи радиосигналов станциями и наличия единой системы времени передающей радиосигналы системы и объекта. Способ характеризуется тем, что станции передающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, включающих по четыре станции в каждой группе, ФЦА которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции. На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют проекции скорости объекта, ускорений, производных этих ускорений и вторых производных ускорений по времени на прямые, соединяющие ФЦА объекта с соответствующими ФЦА станций, и по указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций каждой из групп определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта, например, по предложенным в способе уравнениям измерений. По этим дальностям определяют координаты ФЦА объекта в заданной Декартовой системе координат. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат движущихся объектов и управления их движением в зонах навигации. Радиосигналы передают станции передающей системы с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, их принимают на объекте и определяют координаты фазового центра его антенны. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить однозначность определения координат объекта без привлечения дополнительной информации.

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 2096800, 2213979, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2584976, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506, 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, недостаточное быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объектов по патенту автора RU №2624461.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения координат объекта без привлечения дополнительной информации о местоположении объекта и отсутствие требований обеспечения синхронизированной передачи радиосигналов станциями и наличия единой системы времени передающей радиосигналы системы и объекта. Это достигается тем, что станции передающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, включающих по четыре станции в каждой группе, ФЦА которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции. На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта, соответствующих им ускорений, производных этих ускорений и вторых производных ускорений по времени на прямые, соединяющие ФЦА объекта с соответствующими ФЦА станций, и по указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций каждой из групп определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта, например, по предложенным в способе уравнениям измерений. По этим дальностям определяют координаты ФЦА объекта в заданной Декартовой системе координат любым из известных дальномерных методов. Можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами автора RU №№2484604, 2484605, или метод, опубликованный в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом// Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]).

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат движущегося объекта с каждой станции передающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X, Y, Z), при этом каждая из групп содержит четыре станции, фазовые центры антенн которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости, упорядоченно, например, последовательно (1, 2, 3, 4) против часовой стрелки, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции, на объекте их принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта на прямые, соединяющие фазовый центр антенны объекта с соответствующими фазовыми центрами антенн станций, v1, v2, v3, v4, соответствующих им ускорений a1, a2, a3, a4, производных этих ускорения b1, b2, b3, b4, и вторых производных ускорений w1, w2, w3, w4 по времени, и по указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций данной группы определяют соответствующие дальности d1, d2, d3, d4 от фазовых центров антенн станций до фазового центра антенны объекта, например, в соответствии с уравнениями измерений

где r12, r13, r23 - известные на объекте расстояния соответственно между фазовыми центрами антенн станций с индексами 1 и 2, 1 и 3, 2 и 3, аналогично для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций другой группы по приведенным уравнениям измерений определяют соответствующие дальности от фазовых центров антенн этих станций до фазового центра антенны объекта и по определенным таким образом дальностям, соответствующим группам станций, любым из известных дальномерных методов определяют координаты объекта.

Также любые две из заданных групп станций могут включать одну общую либо две общих станций.

Кроме того, в качестве радиосигналов на каждой станции используют гармонический сигнал либо совокупность гармонических сигналов.

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 передающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными и известными на объекте координатами ФЦА станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X, Y, Z), передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции. При этом каждая из групп содержит четыре станции, ФЦА которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости, упорядоченно, например, последовательно (1, 2, 3, 4) против часовой стрелки. На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта на прямые, соединяющие ФЦА объекта с соответствующими ФЦА станций, v1, v2, v3, v4, соответствующих им ускорений a1, a2, a3, a4, производных этих ускорения b1, b2, b3, b4, и вторых производных ускорений w1, w2, w3, w4 по времени. Измерение скорости основано, например, на измерении смещения частоты радиосигнала, связанного с эффектом Доплера. По указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций данной группы определяют соответствующие дальности d1, d2, d3, d4 от ФЦА станций до ФЦА объекта, например, в соответствии с уравнениями измерений (1).

Аналогично для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций другой группы по приведенным уравнениям измерений (1) определяют соответствующие дальности от ФЦА этих станций до ФЦА объекта. По определенным таким образом дальностям, соответствующим группам станций, любым из известных дальномерных методов определяют координаты объекта.

Также любые две из заданных групп станций могут включать одну общую либо две общих станций.

Кроме того, в качестве радиосигналов на каждой станции используют гармонический сигнал либо совокупность гармонических сигналов.

На практике может быть реализовано, например, размещение ФЦА станций групп передающей системы в вершинах прямоугольника, в том числе размещения станций групп в параллельных плоскостях. В этом случае координаты ФЦА движущегося объекта определяются более просто.

Координаты ФЦА объекта определяются однозначно, и не требуется привлечение дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта.

Способ может найти применение для построения универсальной навигационно-посадочной системы.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦА объекта с высокой точностью;

- не требуется обеспечение синхронизированной передачи радиосигналов станциями (не обязательна одновременная их передача, либо передача с известными задержками по времени), т.к. измеряются не задержки радиосигналов, а указанные скорости;

- практически исключается влияние на точность определения координат наличие отраженных (например, от земли) радиосигналов;

-не требуется единая система времени передающей системы и объекта;

- реализация способа проще и дешевле, чем известных аналогов;

- позволяет осуществлять одновременные измерения на большом 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 движущихся 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».

1. Способ определения координат движущегося объекта, при котором с каждой станции передающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X,Y,Z), при этом каждая из групп содержит четыре станции, фазовые центры антенн которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости, упорядоченно последовательно (1, 2, 3, 4), передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции, на объекте их принимают, идентифицируют и измеряют проекции скорости объекта на прямые, соединяющие фазовый центр антенны объекта с соответствующими фазовыми центрами антенн станций, ν1, ν2, ν3, ν4, соответствующих им ускорений а1, a2, а3, а4, производных этих ускорений b1, b2, b3, b4, и вторых производных ускорений w1, w2, w3, w4 по времени, и по указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций данной группы определяют соответствующие дальности d1, d2, d3, d4 от фазовых центров антенн станций до фазового центра антенны объекта в соответствии с уравнениями измерений

d1 = s1/s0, d2 = s2/s0, d3 = s3/s0, d4 = s4/s0, где

s0 = s01 + s02 + s03 + s04, a

s01 = a1 ⋅ (b2 ⋅ ν3 ⋅ w4 - b2 ⋅ ν4 ⋅ w3 - b3 ⋅ ν2 ⋅ w4+

b3 ⋅ ν4 ⋅ w2 + b4 ⋅ ν2 ⋅ w3 - b4 ⋅ ν3 ⋅ w2);

s02 = a2 ⋅ (-b1 ⋅ ν3 ⋅ w4 + b1 ⋅ ν4 ⋅ w3 + b3 ⋅ ν1 ⋅ w4 -

b3 ⋅ ν4 ⋅ w1 - b4 ⋅ ν1 ⋅ w3 + b4 ⋅ ν3 ⋅ w1);

s03 = a3 ⋅ (b1 ⋅ ν2 ⋅ w4 - b1 ⋅ ν4 ⋅ w2 - b2 ⋅ ν1 ⋅ w4 +

b2 ⋅ ν4 ⋅ w1 + b4 ⋅ ν1 ⋅ w2 - b4 ⋅ ν2 ⋅ w1);

s04 = a4 ⋅ (-b1 ⋅ ν2 ⋅ w3 + b1⋅ ν3 ⋅ w2 + b2 ⋅ ν1 ⋅ w3 -

b2 ⋅ ν3 ⋅ w1 - b3 ⋅ ν1 ⋅ w2 + b3 ⋅ ν2 ⋅ w1).

s1 = (s11 + s13 + s14) / F1, a

s11 = c4 ⋅ (a2 ⋅ b4 ⋅ ν3 - a2 ⋅ b3 ⋅ ν4 + a3 ⋅ b2 ⋅ ν4 -

а3 ⋅ b4 ⋅ ν2 - a4 ⋅ b2 ⋅ ν3 + a4 ⋅ b3 ⋅ ν2);

s13 = с3 ⋅ (-a2 ⋅ ν3 ⋅ w4 + a2 ⋅ ν4 ⋅ w3 + a3 ⋅ ν2 ⋅ w4 -

a3 ⋅ ν4 ⋅ w2 - a4 ⋅ ν2 ⋅ w3 + a4 ⋅ ν3 ⋅ w2);

s14 = c2 ⋅ (b2 ⋅ ν3 ⋅ w4 - b2 ⋅ ν4 ⋅ w3 - b3 ⋅ ν2 ⋅ w4 +

b3 ⋅ ν4 ⋅ w2 + b4 ⋅ ν2 ⋅ w3 - b4 ⋅ ν3 ⋅ w2).

s2 = (s21 + s23 + s24)) / F2, a

s21 = c4 ⋅ (a1 ⋅ b3 ⋅ v4 - a1 ⋅ b4 ⋅ v3 - a3 ⋅ b1 ⋅ v4 +

a3 ⋅ b4 ⋅ v1 + a4 ⋅ b1 ⋅ v3 - a4 ⋅ b3 ⋅ v1);

s23 = c3 ⋅ (a1 ⋅ v3 ⋅ w4 - a1 ⋅ v4 ⋅ w3 - a3 ⋅ v1 ⋅ w4 +

a3 ⋅ v4 ⋅ w1 + a4 ⋅ v1 ⋅ w3 - a4 ⋅ v3 ⋅ w1);

s24 = c2 ⋅ (-b1 ⋅ v3 ⋅ w4 + b1 ⋅ v4 ⋅ w3 + b3 ⋅ v1 ⋅ w4 -

b3 ⋅ v4 ⋅ w1 - b4 ⋅ v1 ⋅ w3 + b4 ⋅ v3 ⋅ w1).

s3 = (s31 + s33 + s34) / F3, a

s31 = c4 ⋅ (a1 ⋅ b4 ⋅ v2 - a1 ⋅ b2 ⋅ v4 + a2 ⋅ b1 ⋅ v4 -

a2 ⋅ b4 ⋅ v1 - a4 ⋅ b1 ⋅ v2 + a4 ⋅ b2 ⋅ v1);

s33 = c3 ⋅ (-a1 ⋅ v2 ⋅ w4 + a1 ⋅ v4 ⋅ w2 + a2 ⋅ v1 ⋅ w4 -

a2 ⋅ v4 ⋅ w1 - a4 ⋅ v1 ⋅ w2 + a4 ⋅ v2 ⋅ w1);

s34 = c2 ⋅ (b1 ⋅ v2 ⋅ w4 - b1 ⋅ v4 ⋅ w2 - b2 ⋅ v1 ⋅ w4 +

b2 ⋅ v4 ⋅ w1 + b4 ⋅ v1 ⋅ w2 - b4 ⋅ v2 ⋅ w1).

s4 = (s41 + s43 + s44) / F4, a

s41 = c4 ⋅ (a1 ⋅ b2 ⋅ v3 - a1 ⋅ b3 ⋅ v2 - a2 ⋅ b1 ⋅ v3 +

a2 ⋅ b3 ⋅ v1 + a3 ⋅ b1 ⋅ v2 - a3 ⋅ b2 ⋅ v1);

s43 = c3 ⋅ (a1 ⋅ v2 ⋅ w3 - a1 ⋅ v3 ⋅ w2 - a2 ⋅ v1 ⋅ w3 +

a2 ⋅ v3 ⋅ w1 + a3 ⋅ v1 ⋅ w2 - a3 ⋅ v2 ⋅ w1);

s44 = c2 ⋅ (-b1 ⋅ v2 ⋅ w3 + b1 ⋅ v3 ⋅ w2 + b2 ⋅ v1 ⋅ w3 -

b2 ⋅ v3 ⋅ w1 - b3 ⋅ v1 ⋅ w2 + b3 ⋅ v2 ⋅ w1), где

c2 = -(F1 ⋅ ν1² + F2 ⋅ ν2² + F3 ⋅ ν3² + F4 ⋅ ν4²);

c3 = -3 ⋅ (F1 ⋅ ν1 ⋅ a1 + F2 ⋅ ν2 ⋅ a2 + F3 ⋅ ν3 ⋅ a3 + F4 ⋅ ν4 ⋅ a4);

c4 = -3 ⋅ (F1 ⋅ a1² + F2 ⋅ a2² + F3 ⋅ a3² + F4 ⋅ a4²) -

4 ⋅ (F1 ⋅ ν1 ⋅ b1 + F2 ⋅ ν2 ⋅ b2 + F3 ⋅ ν3 ⋅ b3 + F4 ⋅ ν4 ⋅ b4),

F1 = B4 (r12² - r13² + r23²) - B3 ⋅ (r12² - r14² + r24²);

F2 = B4 ⋅ (r12² + r13² - r23²) - B3 ⋅ (r12² + r14² - r24²);

F3 = -2 ⋅ B4 ⋅r12²; F4 =2 ⋅ B3 ⋅ r12², a

M3 = (r12 + r23 + r13)/2; M4 = (r12 + r24 + r14)/2,

где r12, r13, r23, r14, r24 - расстояния соответственно между фазовыми центрами антенн станций с индексами 1 и 2, 1 и 3, 2 и 3, 1 и 4, 2 и 4,

аналогично для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций другой группы по приведенным уравнениям измерений определяют соответствующие дальности от фазовых центров антенн этих станций до фазового центра антенны объекта и по определенным таким образом дальностям, соответствующим группам станций, определяют координаты объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что любые две из заданных групп станций могут включать одну общую либо две общих станций.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве радиосигналов на каждой станции используют гармонический сигнал либо совокупность гармонических сигналов.