СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПОЛНОСВЯЗНОЙ РАДИОСЕТИ
METHOD TO DETERMINE MUTUAL LOCATION OF MOBILE OBJECTS IN FULL-COMMUNICATION RADIO NETWORK

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радионавигационных и связных системах для определения взаимного местоположения подвижных объектов (ПО).
Известен способ определения взаимного местоположения подвижных объектов [1], использующих общий сигнал запроса всем подвижным объектам, и ответные сигналы, формируемые каждым ПО через определенный промежуток времени. Три спутника, разнесенных в пространстве, ретранслируют запросные сигналы на наземную станцию, которая идентифицирует ПО и определяет их местоположения.
Основными недостатками данного способа являются:
- информация о местоположении ПО присутствует только на наземной станции;
- для определения местоположения используется спутниковая инфраструктура, поэтому данная система не является автономной.
Известны также способы определения взаимного местоположения подвижных объектов, которые применяются в системах предупреждения столкновений и управления воздушным движением [2].
Основными недостатками этих способов являются:
- определение местоположения осуществляется только между двумя ПО;
- все параметры полета каждого ПО осуществляются собственными измерительными системами каждого ПО.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ определения относительного местоположения n объектов [3], заключающийся в том, что формируют запросные сигналы в момент приема ответных сигналов на i-м объекте, причем адресату (i+1)-го объекта присваивают признак передачи этому объекту инициативы формирования следующего запросно-ответного сигнала, при этом следующим после n-го является первый объект, а при поступлении на i-й объект запросно-ответного и ответных сигналов на нем измеряют направление прихода всех сигналов и, кроме того, при поступлении на i-й объект запросно-ответных и ответных сигналов на нем измеряют задержку между принимаемым в данный момент времени сигналом, закодированным дальномерным кодом, и собственным сигналом, закодированным дальномерным кодом, осуществляют синхронизацию собственного сигнала принятым сигналом из общего числа задержек, передаваемых при информационном обмене между объектами, выделяют числовые значения аналогичных задержек, измеренных и вычисленных на других объектах, по задержкам, измеренным на данном объекте и принятым от других объектов, вычисляют дальности до остальных объектов по формуле:
где  - номер обмена в группе соответствует началу информационного обмена в группе;
i - номер объекта, на котором вычисляется задержка распространения сигнала и соответственно дальность;
j - номер объекта, который в t-й интервал времени обмена находится в передаче, причем j удовлетворяет одновременно следующим условиям:
k - коэффициент, удовлетворяющий условию:
k - целое число;
n - число объектов в группе;
С - скорость распространения сигнала;
- дальность между i-м и j-м объектами, измеренная на i-м объекте в t-й интервал времени в группе;
- временная задержка между собственным опорным сигналом, закодированным дальномерным кодом j-го объекта, и принимаемым j-м объектом сигналом, закодированным таким же дальномерным кодом, в t-й интервал информационного обмена в группе;
- коэффициенты, определяемые выражением:
b - номер интервала обмена, удовлетворяющий условию:
i, j
τ - задержка распространения сигнала между i-м и j-м объектами в b-й интервал обмена в группе, измеренные и вычисленные задержки сообщают другим объектам.
Основными недостатками прототипа являются:
- низкая помехоустойчивость;
- невозможность осуществить одновременный парный обмен;
- накопление ошибок измерения взаимных дальностей с течением времени;
- отсутствие вычисления взаимных скоростей и ускорений.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости, живучести, точности и расширения функциональных возможностей в полносвязных радиосетях.
Указанный технический результат достигается тем, что формируют запросные сигналы в момент приема ответных сигналов на i-м объекте, отличающийся тем, что за время временного окна пары объектов осуществляют одновременный дуплексный обмен дальномерными кодами и измеренными величинами автокорреляционных откликов собственных согласованных фильтров, выполняют измерение двойных взаимных задержек распространения на каждом объекте, осуществляют обмен величинами автокорреляционных откликов согласованных фильтров, полученных при каждом парном обмене, сравнивают на каждом объекте величины автокорреляционных откликов согласованных фильтров, выбирают двойные задержки распространения радиосигналов между объектами, соответствующие наибольшим величинам автокорреляционных откликов согласованных фильтров, вычисляют взаимные дальности в конце кадра, состоящего из (N-1) временных окон, где N - число объектов, при этом используют выбранные задержки распространения, а взаимные удаления вычисляют по формуле:
где  - взаимная дальность между i и j ПО, измеренная в Tn временное окно;
- двойная задержка распространения радиосигналов между i и j ПО, измеренная в Tn временное окно;
С - скорость распространения радиосигналов,
взаимные скорости вычисляют по формуле:
где  - взаимная скорость между i и j объектами, вычисленная в (К+1) кадре;
- взаимная дальность между i и j объектами в К кадре;
- взаимная дальность между i и j объектами в (К+1) кадре;
K+1
T - время начала кадра (К+1);
K
T - время начала кадра К;
взаимные ускорения вычисляют по формуле:
где  - взаимные ускорения между i и j объектами в (К+1) кадре;
- взаимная скорость между i и j объектами в К кадре;
- взаимная скорость между i и j объектами в (К+1) кадре;
причем в конце каждого кадра вычисляют взаимные удаления, скорости и ускорения между всеми объектами, в каждом кадре повторяют взаимный дуплексный парный обмен, измеряют взаимные задержки распространения и вычисляют взаимные удаления, скорости и ускорения.
Рассмотрим способ определения взаимного местоположения подвижных объектов в полносвязной радиосети на конкретном примере четырех ПО (кластера), состоящего из четырех ПО.
На чертеже представлен кадр временного обмена дальномерными кодами (ДК) и информацией в кластере, состоящем из четырех ПО, а также процесс вычисления взаимных удалений, скоростей и ускорений.
В первом столбце фигуры пронумерованы четыре ПО от 0 до 3.
Временные окна информационного обмена внутри кадра обозначены Т0, Т1 и Т2. Под временными окнами обозначены номера взаимодействующих ПО. Во временном окне Т0 происходит обмен ДК и информацией ПО0 с ПО1, а также ПО2 с ПО3. Во временном окне Т1 происходит обмен ДК и информацией ПО0 с ПО2, а также ПО1 с ПО3. Во временном окне Т2 происходит обмен ДК и информацией ПО0 с ПО3, а также ПО1 с ПО2. Ниже, в виде мнемосхемы проиллюстрированы обмены между ПО. Вычисления взаимных удалений, скоростей и ускорений в полной форме приведены для ПО0, для остальных ПО они аналогичны и поэтому показаны условно.
На чертеже введены следующие обозначения:
Тк - длительность кадра;
Ti-j - двойная задержка распространения радиосигналов, измеренная в данном временном окне между i и j ПО;
AOi - величина автокорреляционного отклика, измеренного на i-м ПО в данном временном окне;
Fn - несущая частота передатчика и символ излучения;
Y - символ, обозначающий прием ДК и информации от ПО;
- направления обмена ДК и информацией ПО.
В столбце «Хранение задержек и автокорреляционных откликов» приведены сохраняемые в конце кадра измеренные значения взаимных задержек и величин их автокорреляционных откликов.
3
2
3-2
0-2
В столбце «Сравнение откликов» вычисляется частное от деления сохраненных значений откликов, например величина АО, полученная при измерении задержки ДК на ПО3, делится на величину АО, полученную при измерении задержки ДК на ПО2. Если частное от их деления ≥1, то для вычисления взаимных удалений между ПО2 и ПО3 выбирается задержка Т, измеренная на ПО3 при большей величине автокорреляционного отклика, если частное меньше или равно 1, то выбирается задержка Т, измеренная на ПО2 при большей величине автокорреляционного отклика (см. чертеж).
В столбце «Вычисление взаимных удалений» приведены формулы, с помощью которых вычисляются взаимные удаления между всеми ПО на данном ПО:
K1
i-j
D - взаимная дальность между i и j ПО, вычисленная в К1 кадре;
8
3×10 - скорость распространения радиоволн.
В столбце «Вычисление взаимных скоростей» приведены формулы, с помощью которых вычисляются взаимные скорости между всеми ПО на данном ПО:
K1
i-j
V - взаимная скорость между i и j ПО, вычисленная в К1 кадре;
K-1
i-j
D - взаимная дальность между i и j ПО, вычисленная в предыдущем К-1 кадре;
Тк - длительность кадра.
В столбце «Вычисление взаимных ускорений» приведены формулы, с помощью которых вычисляются взаимные ускорения между всеми ПО на данном ПО:
K1
i-j
U - взаимное ускорение между i и j ПО, вычисленное в предыдущем К1 кадре;
K-1
i-j
V - взаимная скорость между i и j ПО, вычисленная в предыдущем К-1 кадре.
Рассмотрим последовательно процесс обмена ДК и информацией в кадре.
Во временном окне Т0 осуществляется дуплексный обмен ДК и собственной информацией между ПО0 и ПО1. ПО0 передает на частоте F1 ДК ПО1, а ПО1 передает на частоте F2 ДК ПО0. ПО0 и ПО1 принимают ДК с задержкой на распространение между ПО0 и ПО1. После обработки ДК согласованными фильтрами и выделения ими автокорреляционных откликов ПО1 передает на частоте F3 ДК, а ПО0 передает на частоте F4 ДК. ПО1 и ПО0 принимают эти ДК с двойной задержкой распространения между ПО1 и ПО0. После обработки ДК согласованными фильтрами и выделения ими автокорреляционных откликов ПО0 и ПО1 измеряют двойную задержку распространения между ПО0 и ПО1 и относительные величины автокорреляционных откликов своих согласованных фильтров.
Во временном окне Т1 аналогичным образом дуплексно обмениваются ДК ПО0 с ПО2, а ПО1 с ПО3. В результате эти ПО измеряют двойную задержку распространения между ПО0 и ПО2, а также между ПО1 и ПО3. Одновременно с обменами ДК ПО0 передает ПО2 измеренную во временном окне Т0 двойную задержку распространения между ПО0 и ПО1 и оцифрованную величину автокорреляционного отклика ДК, принятого во временном окне Т0, а ПО3 передает ПО0, измеренную во временном окне Т0 двойную задержку распространения между ПО2 и ПО3 и оцифрованную величину автокорреляционного отклика ДК, принятого во временном окне Т0.
Во временном окне Т2 аналогичным образом дуплексно обмениваются ДК ПО0 с ПО3, а ПО1 с ПО2. В результате эти ПО измеряют двойную задержку распространения между ПО0 и ПО3, а также между ПО1 и ПО2. Одновременно происходит обмен ранее измеренными двойными задержками распространения и оцифрованными величинами автокорреляционных откликов ранее принятых ДК.
В конце кадра К1 каждый ПО имеет измеренные взаимные двойные задержки распространения между всеми ПО. Каждой задержке соответствует величина автокорреляционного отклика, при котором она была измерена. Решение о достоверности принятой задержки принимается по алгоритму, изложенному на стр. 7 и на фигуре в столбце «Сравнение откликов» в пользу задержки с большим автокорреляционным откликом, в дальнейшем эта задержка используется в вычислениях взаимных удалений по формуле:
где  - взаимная дальность между i и j ПО, измеренная в Tn временном окне;
- двойная задержка распространения радиосигналов между i и j ПО, измеренная в Tn временном окне;
С - скорость распространения радиосигналов.
В следующем кадре К2 (не показано) осуществляются аналогичные операции. По дальностям, вычисленным в кадрах К1 и К2, вычисляют взаимные скорости всех ПО по формулам:
где  - взаимная скорость между i и j объектами,вычисленная в (К+1) кадре;
- взаимная дальность между i и j объектами в К кадре;
- взаимная дальность между i и j объектами в (К+1) кадре;
K+1
T - время начала кадра (К+1);
K
T - время начала кадра К.
В следующем кадре К3 (не показано) осуществляются операции, аналогичные операциям в кадрах К1 и К2. По взаимным скоростям, вычисленным в кадрах К1 и К2, вычисляют взаимные ускорения всех ПО по формулам:
где  - взаимные ускорения между i и j объектами в (К+1) кадре;
- взаимная скорость между i и j объектами в К кадре;
- взаимная скорость между i и j объектами в (К+1) кадре.
Таким образом, технический результат в части повышения помехоустойчивости, живучести, точности и расширения функциональных возможностей в полносвязных радиосетях обеспечивается за счет:
- измерения задержек распространения и величин автокорреляционных откликов, соответствующих этим измерениям, каждым объектом и передачи этих величин на другие объекты;
- получения каждым объектом измеренных задержек распространения;
- вычисления взаимных дальностей с использованием задержек, измеренных при максимальных корреляционных откликах;
- применения каждым абонентом приема, разнесенного в пространстве, частоте и времени.
- вычисления и хранения на каждом объекте взаимных удалений, скоростей и ускорений между всеми объектами, поэтому при исчезновении из кластера любого объекта не происходит уничтожения информации.
Источники информации
1. Патент US 4359733, кл. G01S 13/78, опубликовано 16.11.1982 г.
2. С.И. Бычков, Г.А. Похолков, В.И. Яковлев. Радиотехнические системы предупреждения столкновений самолетов. М., Сов. Радио, 1977, с. 76.
3. Патент RU 2111503, кл. G01S 5/02, опубликовано 20.05.1998 г.