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 требования наличия единой системы времени принимающей радиосигналы системы и объекта. Способ характеризуется тем, что радиосигналы передают с движущегося объекта, их принимают и идентифицируют станциями принимающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными 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. На станциях измеряют проекции скорости объекта, соответствующих им ускорений, производных этих ускорений и вторых производных ускорений по времени на прямые, соединяющие ФЦА станций с ФЦА объекта. По указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций данной группы определяют соответствующие дальности от ФЦА объекта до ФЦА станций, 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 с движущегося объекта, их принимают и идентифицируют станциями принимающей системы с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций и определяют координаты ФЦА объекта. 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 №2624457.

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 требования наличия единой системы времени принимающей радиосигналы системы и объекта. Это достигается тем, что радиосигналы передают с движущегося объекта, их принимают и идентифицируют станциями принимающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными 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. На станциях измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта на прямые, соединяющие ФЦА станций с ФЦА объекта, соответствующих им ускорений, производных этих ускорений и вторых производных ускорений по времени. По указанным проекциям для каждой из четырех упорядоченно расположенных станций данной группы определяют соответствующие дальности от ФЦА объекта до ФЦА станций, 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 него передают радиосигналы, принимают и идентифицируют их станциями принимающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными 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, и измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта на прямые, соединяющие фазовые центры антенн станций с фазовым центром антенны объекта, ν1, ν2, ν3, ν4, соответствующих им ускорений а1, а2, 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, d1, d3, d4 от фазового центра антенны объекта до фазовых центров антенн станций, например, в соответствии с уравнениями измерений

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-a3⋅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, а

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

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, при этом

c2=-(F1⋅ν1²+F2⋅ν2²+F3⋅ν3²+F4⋅ν4²);

с3=-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),

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 ФЦА объекта до ФЦА станций 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 передаваемого с объекта радиосигнала 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 движущегося объекта передают радиосигналы, принимают и идентифицируют их станциями принимающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными координатами ФЦА станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X, Y, Z). При этом каждая из групп содержит четыре станции, ФЦА которых располагают в вершинах заданного четырехугольника, лежащих в заданной для данной группы плоскости. На станциях измеряют одним из известных методов проекции скорости объекта, соответствующих им ускорений, производных этих ускорений и вторых производных ускорений по времени на прямые, соединяющие ФЦА станций с ФЦА объекта. 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 от ФЦА объекта до ФЦА станций, 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 объекта до ФЦА этих станций. 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 передаваемого с объекта радиосигнала 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;

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

- не требуется единая система времени принимающей 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 него передают радиосигналы, принимают и идентифицируют их станциями принимающей системы, содержащей заданное количество групп станций с заданными 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) и измеряют проекции скорости объекта на прямые, соединяющие фазовые центры антенн станций с фазовым центром антенны объекта, v1, v2, v3, v4, соответствующих им ускорений а1, а2, а3, a4, 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 фазового центра антенны объекта до фазовых центров антенн станций 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⋅v3⋅w4-b2⋅v4⋅w3-b3⋅v2⋅w4+

b3⋅v4⋅w2+b4⋅v2⋅w3-b4⋅v3⋅w2);

s02=a2⋅(-b1⋅v3⋅w4+b1⋅v4⋅w3+b3⋅v1⋅w4-

b3⋅v4⋅w1-b4⋅v1⋅w3+b4⋅v3⋅w1);

s03=a3⋅(b1⋅v2⋅w4-b1⋅v4⋅w2-b2⋅v1⋅w4+

b2-v4-w1+b4-v1-w2-b4-v2-w1);

s04=a4⋅(-b1⋅v2⋅w3+b1⋅v3⋅w2+b2⋅v1⋅w3-

b2⋅v3⋅w1-b3⋅v1⋅w2+b3⋅v2⋅w1).

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

s11=c4⋅(a2⋅b4⋅v3-a2⋅b3⋅v4+a3⋅b2⋅v4-

а3⋅b4⋅v2-а4⋅b2⋅v3+а4⋅b3⋅v2);

s13=с3⋅(-а2⋅v3⋅w4+а2⋅v4⋅w3+а3⋅v2⋅w4-

а3⋅v4⋅w2-a4⋅v2⋅w3+a4⋅v3⋅w2);

s14=c2⋅(b2⋅v3⋅w4-b2⋅v4⋅w3-b3⋅v2⋅w4+

b3⋅v4⋅w2+b4⋅v2⋅w3-b4⋅v3⋅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+b1⋅v2⋅w1), где

c2=-(F1⋅v1²+F2⋅v2²+F3⋅v3²+F4⋅v4²);

c3=-3⋅(F1⋅v1⋅a1+F2⋅v2⋅a2+F3⋅v3⋅а3+F4⋅v4⋅a4);

c4=-3⋅(F1⋅a1²+F2⋅a2²+F3⋅a3²+F4⋅a4²)-

4⋅(F1⋅v1⋅b1+F2⋅v2⋅b2+F3⋅v3⋅b3+F4⋅v4⋅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 фазового центра антенны объекта до фазовых центров антенн этих станций 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 передаваемого с объекта радиосигнала используют гармонический сигнал либо совокупность гармонических сигналов.