Способ определения по измеренным относительным дальностям координат объекта
Владельцы патента RU 2723986:
Акционерное общество "Национальное РадиоТехническое Бюро" (АО "НРТБ") (RU)
Изобретение относится к радионавигации и может использоваться для определения пространственных координат (ПК) объекта, в том числе подвижного. Достигаемый технический результат - обеспечение однозначного определения ПК объекта. Указанный результат достигается за счет того, что на каждой станции синхронизированно осуществляют передачу радиосигнала в виде четырех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с заданной частотой. На объекте квадратурно принимают совокупность переданных станциями радиосигналов. Потактно с заданными частотой дискретизации и количеством тактов в цикле формируют соответствующие принятой совокупности радиосигналов цифровые квадратурные компоненты (ЦКК). По сформированным ЦКК формируют потактно заданным образом последующие четыре пары (ЦКК), соответствующих компонентам передаваемых радиосигналов. Затем из них формируют четыре пары ЦКК посредством суммирования каждой из полученных квадратурных компонент соответствующей пары. С использованием полученных таким образом ЦКК формируют приведенные в способе параметры и по сформированным параметрам определяют временные задержки, из которых исключают временные сдвиги, возникающие при формировании радиосигналов на станциях. По скорректированным временным задержкам и при выполнении заданных в способе условий однозначно определяют относительные дальности до фазового центра (ФЦ) антенны объекта от ФЦ антенн станций. По относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны объекта. Способ позволяет исключить влияние отраженных, например, от земли, радиосигналов и случайных фаз гетеродинов передатчиков и приемника. Между объектом и совокупностью передаваемых станций не требуется общая синхронизация.
Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат (ПК) фазового центра (ФЦ) антенны объекта, в том числе, подвижного, и управления его движением в зоне навигации. На каждой станции системы стационарных наземных станций с заданными координатами ФЦ их антенн осуществляют передачу радиосигнала. Совокупность переданных станциями радиосигналов принимают на объекте, обрабатывают предложенным способом и определяют пространственные координаты ФЦ антенны объекта по измеренным относительным дальностям. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат ФЦ антенны объекта.
Известны способы определения координат объекта, 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 №№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, 2617711, 2617448, 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, 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, не учитывают влияние на результат отражения радиоволн, например, от земли, не исключают случайные фазы гетеродинов, имеют недостаточные быстродействие и точность.
По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объекта по патенту RU №2647496. Преимуществом заявляемого способа определения координат ФЦ антенны объекта по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения пространственных координат ФЦ антенны объекта. Это достигается тем, что на каждой станции наземной системы, состоящей из n-х упорядоченно пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4, с известными на объекте в заданной трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, синхронизировано осуществляют передачу n-того радиосигнала в виде четырех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с соответственно заданной и известной на объекте частотой Fn,i=F0n+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 4, F0n - заданные частоты, ΔF - заданный интервал между соседними i-ми частотами n-го радиосигнала, с известными на объекте для каждого n-того радиосигнала временными сдвигами, возникающими при формировании радиосигналов, при условии, что расстояние между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигналов и увеличенное на абсолютную величину разности указанных временных сдвигов не должно превышать периода Т, равного 1/ΔF, а на объекте квадратурно принимают совокупность N радиосигналов, при этом либо осуществляют перенос их спектров посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют, потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-том такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие принятой совокупности радиосигналов цифровые квадратурные компоненты Ij и Qj, по сформированным цифровым квадратурным компонентам формируют четыре пары цифровых квадратурных компонент xIn,j,i и xQn,j,i, соответствующих i-м компонентам передаваемых n-тых радиосигналов, в соответствии с выражениями
где ICn,j,i=cos(2πjƒn,i/dƒ), QSn,j,i=sin(2πjƒn,i/dƒ), ƒn,i - соответственно, либо частоты, полученные из упомянутых частот Fn,i посредством сдвига на частоту гетеродина при указанном переносе спектра, либо частоты, равные Fn,i в противном случае, а 
, где s - заданное число, для сформированных таким образом четырех пар цифровых квадратурных компонент, соответствующих n-м радиосигналам, формируют путем суммирования каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары четыре пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением
последовательно с использованием ранее сформированных цифровых квадратурных компонент формируют параметры, соответствующие n-м передаваемым радиосигналам 
где sign(х) равно 0, если х=0, равно 1, если х>0, и равно -1, если х<0,
по сформированным таким образом параметрам определяют временные задержки dtn в соответствии с выражением
где atan2(x,y) равно величине угла (в радианах), образованного осью х и прямой, содержащей начало (0,0) и точку (х,у), в интервале от -π до π, исключая (-π), корректируют dtn, исключая из них упомянутые временные сдвиги, по скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до фазового центра антенны объекта от указанных фазовых центров антенн станций dn и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, указанный цикл последовательных действий повторяют.
Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты ФЦ антенны 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.
На каждой станции наземной системы, состоящей из n-х упорядочение пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4, с известными на объекте в заданной трехмерной декартовой системе координатами ФЦ их антенн, синхронизировано осуществляют передачу n-того радиосигнала в виде четырех компонент. Каждая компонента является гармоническим колебанием с соответственно заданной и известной на объекте частотой Fn,i=F0n+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 4, F0n- заданные частоты, ΔF - заданный интервал между соседними i-ми частотами n-того радиосигнала. На объекте известны для каждого n-того радиосигнала временные сдвиги, возникающие при формировании радиосигналов. Также должно быть выполнено условие, что расстояние между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигналов и увеличенное на абсолютную величину разности указанных временных сдвигов не должно превышать периода Т, равного 1/ΔF.
На объекте квадратурно принимают совокупность N радиосигналов, при этом либо осуществляют перенос их спектров посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют (в зависимости от располагаемой при реализации способа элементной базы и используемого частотного диапазона). Затем потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-м такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие принятой совокупности радиосигналов цифровые квадратурные компоненты (ЦКК) Ij и Qj. По сформированным ЦКК формируют четыре пары цифровых квадратурных компонент xIn,j,i и xQn,j,i, соответствующих i-м компонентам передаваемых n-х радиосигналов, принимаемых на объекте, в соответствии с выражениями (1), в которых р(j) - функция Гаусса с математическим ожиданием 
и среднеквадратическим отклонением (СКО) 
заданное число s позволяет изменять СКО.
Для сформированных таким образом четырех пар цифровых квадратурных компонент, соответствующих n-м радиосигналам, формируют (путем суммирования по j каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары) четыре пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением (2). Затем последовательно с использованием сформированных цифровых квадратурных компонент (2) формируют параметры (3), соответствующие n-м передаваемым радиосигналам.
По сформированным таким образом параметрам (3) определяют временные задержки dtn в соответствии с выражением (4).
Значения dtn корректируют, исключая из них упомянутые временные сдвиги. Если эти временные сдвиги одинаковые, то их можно не учитывать. По скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до ФЦ антенны объекта от указанных ФЦ антенн станций dn. Далее по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны объекта. Указанный цикл (с количеством тактов J) последовательных действий повторяют.
В принципе, хотя это и не обязательно, значения величин ΔF, dƒ, J могут быть заданы таким образом, чтобы отношение продолжительности цикла, равной J/dƒ, к упомянутому периоду Т было целым числом. В этой ситуации определенные относительные задержки, например, для покоящегося объекта от цикла к циклу не будут изменяться во времени. Если это условие не выполняется, тогда каждая из относительных дальностей смещается на одну и ту же величину, что не влияет на точность определения координат по относительным дальностям. В принципе, можно после каждого цикла центрировать относительные дальности посредством исключения из каждой полученной в цикле относительной дальности среднего значения всех относительных дальностей, полученных в цикле, тогда относительные задержки, например, для покоящегося объекта также не будут изменяться во времени.
Представление квадратурных компонент в цифровом виде дает определенное преимущество при решении задачи за счет простоты ее программной реализации.
Кроме того, входящие в выражение (1) параметры IСn,j,i, QSn,j,i и р(j) могут быть вычислены заранее по заданным значениям ƒn,j, dƒ и J, что вычислительно упрощает формирование соответствующих квадратур и существенно сокращает объем вычислений.
В качестве метода определения пространственных координат ФЦ антенны объекта по измеренным относительным дальностям до него можно использовать любой из известных методов, например, из защищенных патентами RU (№№2530232, 2530241, 2624461, 2647496) или из защищенных международными заявками в системе РСТ (WO/2015/012738, WO/2015/012735) или из опубликованных 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 навигационно-посадочной системы.
Перечислим основные достоинства способа:
- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦ антенны объекта,
- между объектом и совокупностью передающих станций не требуется общая синхронизация,
- исключает влияние отраженных, например, от земли, сигналов,
- позволяет исключить случайные фазы гетеродинов передатчиков и гетеродина приемника,
- существенно упрощает прием и обработку радиосигналов,
- сигналы, заданные в аналитическом виде, проще формировать и преобразовывать, благодаря, в том числе, этому повышается точность измерений,
- обеспечивает возможность производить измерения с использованием существующей элементной базы, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и микропроцессорной техники,
- 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 объекта, 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 по измеренным относительным дальностям координат объекта, в том числе подвижного, при котором на каждой станции наземной системы, состоящей из n-х упорядоченно пронумерованных наземных станций, где индекс n изменяется от 1 до N и N≥4, с известными на объекте в заданной трехмерной декартовой системе координатами фазовых центров их антенн, синхронизированно осуществляют передачу n-го радиосигнала в виде четырех компонент, каждая из которых является гармоническим колебанием с соответственно заданной и известной на объекте частотой Fn,i=F0n+(i-1)ΔF, где индекс i изменяется от 1 до 4, F0n - заданные частоты, ΔF - заданный интервал между соседними i-ми частотами n-го радиосигнала, с известными на объекте для каждого n-го радиосигнала временными сдвигами, возникающими при формировании радиосигналов, при условии, что расстояние между фазовыми центрами антенн для любой пары из N станций, отнесенное к скорости распространения радиосигналов и увеличенное на абсолютную величину разности указанных временных сдвигов не должно превышать периода Т, равного 1/ΔF, а на объекте квадратурно принимают совокупность N радиосигналов, при этом либо осуществляют перенос их спектров посредством сдвига на частоту гетеродина, либо его не осуществляют, потактно с заданной частотой дискретизации dƒ на каждом j-м такте, где индекс j изменяется от 0 до заданного в цикле количества тактов J, формируют соответствующие принятой совокупности радиосигналов цифровые квадратурные компоненты Ij и Qj, по сформированным цифровым квадратурным компонентам формируют четыре пары цифровых квадратурных компонент xIn,j,i и xQn,j,i, соответствующих i-м компонентам передаваемых n-х радиосигналов, в соответствии с выражениями
xIn,j,i=(IjICn,j,i+QjQSn.j.i)p(j),
xQn,j,i=(QjICn,j,i-IjQSn,j,i)p(j),
где ICn,j,i=cos(2πjƒn,i/dƒ), Qsn,j,i=sin(2πjƒn,i/dƒ), ƒn,i - соответственно, либо частоты, полученные из упомянутых частот Fn,i - посредством сдвига на частоту гетеродина при указанном переносе спектра, либо частоты, равные Fn,i в противном случае, а 
где s - заданное число, для сформированных таким образом четырех пар цифровых квадратурных компонент, соответствующих n-м радиосигналам, формируют путем суммирования каждой из полученных цифровых квадратурных компонент соответствующей пары четыре пары цифровых квадратурных компонент в соответствии с выражением
последовательно с использованием ранее сформированных цифровых квадратурных компонент формируют параметры, соответствующие n-м передаваемым радиосигналам 
где sign(x) равно 0, если x=0, равно 1, если x>0, и равно -1, если х<0, по сформированным таким образом параметрам определяют временные задержки dtn в соответствии с выражением
, где atan2(x,y) равно величине угла (в радианах), образованного осью х и прямой, содержащей начало (0, 0) и точку (х, у), в интервале от -π до π, исключая (-π), корректируют dtn, исключая из них упомянутые временные сдвиги, по скорректированным временным задержкам однозначно с учетом скорости распространения радиосигнала определяют относительные дальности до фазового центра антенны объекта от указанных фазовых центров антенн станций dn и по относительным дальностям однозначно определяют пространственные координаты фазового центра антенны объекта, указанный цикл последовательных действий повторяют.
