РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
RADIOTECHNICAL COORDINATE DETERMINATION SYSTEM

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат (ПК) фазового центра (ФЦ) антенны радиотехнического объекта (РО), в том числе, подвижного, и управления его движением в зоне навигации. Заявляемая система содержит принимающий радиосигналы РО, наземную пунктовую передающую радиосигналы (р/с) систему (НПРС), включающую упорядоченно пронумерованные передающие р/с пункты, в количестве не менее четырех, координаты фазовых центров антенн которых известны на принимающем р/с РО и наземную радиотехническую контрольную станцию (КС) с подвижной антенной (ПА). Реализация системы позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат ФЦ антенны объекта.
Известны радиотехнические системы определения координат, основанные на использовании амплитудных, временных, импульсных, частотных, фазовых и импульсно-фазовых методов измерения параметров сигнала (Патенты РФ 2213979, 2232402, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2371737, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2587471, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506, 2620359, 2638572, 2640032, 2653506, 2657237; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630А1. 2016/0330584А1, 2016/0337933 А1, Пат. FR 2504275; 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 системы имеют те или иные недостатки, например, большую мощность передатчика, сложность обнаружения движущихся объектов на фоне отражений от неподвижных объектов в импульсном методе, необходимость иметь несколько антенн, высокие требования к линейности ПЧМ сигнала в частотном методе, неоднозначность определения из-за повторения фазы через период в фазовом методе, необходимость наличия единой системы времени передающей р/с системы и объекта, либо наличия усложненных способов синхронизации, недостаточное быстродействие и точность и др.
По критерию минимальной достаточности наиболее близким является радиотехническая система определения координат РО по патенту RU №2530233.
Преимуществом заявляемой системы определения координат РО по сравнению с известными является обеспечение однозначного определения координат с небольшим количеством измеряемых параметров без привлечения дополнительной информации о местоположении РО и отсутствие требования обеспечения наличия единой системы времени на РО и НПРС. Это достигается тем, что заявляемая система содержит НПРС, включающую не менее четырех упорядоченно пронумерованных пунктов. Каждый пункт содержит передающее антенное устройство (ПАУ), подсоединенное к передающему р/с устройству (ПРУ), выполненному с возможностью формирования и передачи р/с с заданными индивидуальными признаками. Координаты фазовых центров (ФЦ) антенн ПАУ пунктов известны на РО. Также в НПРС введена наземная радиотехническая КС, содержащая ПАУ, функционально связанное с ПРУ. При этом КС содержит либо приемный антенный модуль (ПАМ), подсоединенный к ПАУ, выполненный как с возможностью фиксации положения ФЦ антенны ПАУ, так и с возможностью перемещения ФЦ подвижной антенны (ПА) вдоль заданной прямолинейной траектории по заданному закону его перемещения, либо КС содержит стационарную приемнуюантенну, подсоединенную к ПРУ, и указанный ПАМ. Также КС содержит измерительно-информационную подсистему (ИИП), выполненную с возможностью измерения при фиксированном положении ФЦ антенны ПАУ частотного отклонения спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного положения спектра для каждого пункта, а при перемещении ФЦ антенны - измерения проекции его скорости и ускорения на прямые, соединяющие ФЦ ПА с ФЦА пунктов, и возможности определения по этим проекциям и скорости перемещения ФЦ ПА изменяющиеся во времени времена прохождения р/с от ФЦ ПА до ФЦА пунктов и временные сдвиги для каждого пункта. Каждый пункт снабжен информационной системой (ИС), выполненной с возможностью использования полученной от ИИП информации о ЧОС для обеспечения частотной подстройки на каждом пункте, а информации о временных сдвигах - для корректировки временной задержки посылки р/с каждого пункта и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами р/с. РО содержит функционально связанные ПАУ, ПРУ и подсистему, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от ФЦА РО до ФЦА пунктов и определения координат ФЦА РО по относительным дальностям и координатам ФЦА пунктов.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением радиотехническая система определения координат радиотехнического объекта, стационарного или подвижного, содержит наземную пунктовую передающую радиосигналы систему, включающую упорядоченно пронумерованные передающие радиосигналы n-тые пункты, где индекс n изменяется от 1 до N≥4, каждый n-тый пункт содержит передающее антенное устройство, при этом фазовые центры антенн передающих антенных устройств каждого из n-тых пунктов находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами X, Y, Zв заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z), к передающим антенным устройствам подсоединены передающие радиосигналы устройства, выполненные с возможностью формирования и передачи радиосигналов с заданными индивидуальными признаками, содержащих, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, и обеспечения частотной подстройки и синхронизации передаваемых радиосигналов, также в наземную пунктовую передающую радиосигналы систему введена контрольная наземная радиотехническая станция, содержащая принимающее антенное устройство, функционально связанное с принимающим радиосигналы устройством, выполненным с возможностью приема радиосигналов, передаваемых указанными n-тыми пунктами, и их идентификации, при этом контрольная наземная радиотехническая станция содержит либо приемный антенный модуль, подсоединенный к ее принимающему антенному устройству, выполненный как с возможностью фиксации положения фазового центра антенны ее принимающего антенного устройства, так и с возможностью перемещения фазового центра подвижной антенны ее принимающего антенного устройства вдоль заданной прямолинейной траектории по заданному закону его перемещения s(t) в течение заданного промежутка времени Δt из положения s(0) в положение s(Δt), либо контрольная наземная радиотехническая станция содержит стационарную приемную антенну, подсоединенную к ее принимающему радиосигналы устройству и указанный приемный антенный модуль, также контрольная наземная радиотехническая станция содержит измерительно-информационную подсистему, которая функционально связана с принимающим радиосигналы устройством и с указанным приемным антенным модулем и выполнена с возможностью измерения либо с использованием указанной стационарной приемной антенны, либо при фиксированном положении фазового центра антенны ее принимающего антенного устройства частотного отклонения спектра принимаемого радиосигнала от заданного положения спектра для каждого n-того пункта, а при указанном перемещении фазового центра подвижной антенны ее принимающего антенного устройства выполнена с возможностью измерения проекции скорости перемещения фазового центра подвижной антенны v(t) на прямые, соединяющие фазовый центр указанной подвижной антенны с фазовыми центрами передающих антенн n-тых пунктов, а также измерения соответствующих им ускорений a(t), кроме того, измерительно-информационная подсистема выполнена с возможностью по указанным проекциям скорости v(t), ускорения a (t) и скорости перемещения фазового центра подвижной антенны V(t), равной производной по времени от перемещения s(t), определения времен, изменяющихся во времени, прохождения радиосигналов от фазового центра подвижной антенны ее принимающего антенного устройства до фазовых центров антенн передающих антенных устройств n-тых пунктов в соответствии с уравнением измерения  где |a(t)| - абсолютное значение величины a(t), а также выполнена с возможностью определения изменяющиеся во времени относительных временных задержек tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения временных сдвигов между T(t) и tr (t) для каждого n-того пункта, кроме того, контрольная наземная радиотехническая станция содержит функционально связанные с измерительно-информационной подсистемой блок отображения и блок передачи информации потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты, каждый пункт снабжен информационной системой, выполненной с возможностью приема и идентификации соответствующей ему информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге, и с возможностью использования информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра для обеспечения частотной подстройки на каждом n-том пункте, а также с возможностью использования информации об указанных временных сдвигах для корректировки временной задержки посылки радиосигнала каждого n-того пункта и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами радиосигналов, также указанный радиотехнический объект содержит принимающее антенное устройство, функционально связанное с принимающим радиосигналы устройством, выполненным с возможностью приема радиосигналов, передаваемых указанными n-тыми пунктами, их идентификации, а также содержит подсоединенную к принимающему радиосигналы устройству подсистему, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от фазового центра антенны принимающего антенного устройства радиотехнического объекта до фазовых центров антенн передающих антенных устройств n-тых пунктов, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения пространственных координат фазового центра антенны принимающего антенного устройства радиотехнического объекта по указанным относительным дальностям и известным на радиотехническом объекте координатам X, Y, Z фазовых центров антенн передающих антенных устройств каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы.
n
n
n
n
n
Кроме того, приемный антенный модуль перемещения фазового центра антенны принимающего антенного устройства контрольной наземной радиотехнической станции выполнен с возможностью осуществления повторяющихся циклов перемещения, в том числе, с изменением направления перемещения. Также измерительно-информационная подсистема выполнена с возможностью определения дальномерным методом изменяющихся во времени координат x(t), y(t), z(t) фазового центра подвижной антенны принимающего антенного устройства контрольной наземной радиотехнической станции по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на контрольной наземной станции координатам X, Y, Z фазового центра антенны передающего антенного устройства каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы в указанной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z).
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о системах того же назначения с указанной совокупностью признаков.
Ниже изобретение описано более детально со ссылками на фигуру 1.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
На фигуре 1 показана заявляемая радиотехническая система 1, которая содержит принимающий р/с радиотехнический объект 2, стационарный или подвижный, и НПРС 3, включающую упорядоченно пронумерованные передающие р/с n-тые пункты 4. Каждый n-тый пункт 4 содержит ПАУ 5, при этом ФЦ антенн ПАУ 5 каждого из n-тых пунктов 4 находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами X, Y, Z в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z). К ПАУ 5 подсоединены ПРУ 6, выполненные с возможностью формирования и передачи радиосигналов с заданными индивидуальными признаками, содержащих, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, и обеспечения частотной подстройки и синхронизации передаваемых р/с. Также в НПРС 3 введена наземная радиотехническая контрольная станция (КС) 7, содержащая ПАУ 8, функционально связанное с ПРУ 9, выполненным с возможностью приема р/с, передаваемых n-тыми пунктами 4, и их идентификации. При этом КС 7 содержит либо приемный антенный модуль (ПАМ) 10, подсоединенный к ПАУ 8 и выполненный как с возможностью фиксации положения ФЦ антенны ПАУ 8, так и с возможностью перемещения ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 вдоль заданной прямолинейной траектории по заданному закону его перемещения s(t) в течение заданного промежутка времени Δt из положения s(0) в положение s(Δt), либо КС 7 содержит стационарную приемную антенну 11, подсоединенную к ПРУ 9 и указанный ПАМ 10. Также КС 7 содержит измерительно-информационную подсистему (ИИП) 12, которая функционально связана с ПРУ 9 и с ПАМ 10 и выполнена с возможностью измерения либо с использованием стационарной приемной антенны 11, либо при фиксированном положении ФЦ антенны ПАУ 8 частотного отклонения спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного положения спектра для каждого n-того пункта 4, а при перемещении ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 выполнена с возможностью измерения проекции скорости перемещения ФЦ подвижной антенны v(t) на прямые, соединяющие ФЦ подвижной антенны с ФЦ передающих антенн n-тых пунктов 4, а также измерения соответствующих им ускорений a(t). Кроме того, ИИП 12 выполнена с возможностью по указанным проекциям скорости v(t), ускорения a(t) и скорости перемещения ФЦ подвижной антенны V(t), равной производной по времени от перемещения s(t), определения времен T(t) прохождения р/с от ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 до ФЦ антенн ПАУ 5 n-ых пунктов 4 в соответствии с указанным уравнением измерения. Также ИИП 12 выполнена с возможностью определения относительных временных задержек tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения временных сдвигов между T(t) и tr (t) для каждого n-того пункта 4.
Кроме того, КС 7 содержит функционально связанные с ИИП 12 блок отображения 13 и блок передачи информации 14 потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты 4. Каждый пункт 4 снабжен информационной системой (ИС) 15, выполненной с возможностью приема и идентификации соответствующей ему информации об измеренном ЧОС принимаемого р/с от заданного его положения и указанном временном сдвиге, и с возможностью использования информации об измеренном ЧОС для обеспечения частотной подстройки на каждом n-том пункте 4, а также с возможностью использования информации об указанных временных сдвигах для корректировки временной задержки посылки радиосигнала каждого n-ого пункта 4 и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами 4 р/с. Также РО 2 содержит принимающее антенное устройство (ПАУ) 16, функционально связанное с принимающим радиосигналы устройством (ПРУ) 17, выполненным с возможностью приема р/с, передаваемых n-тыми пунктами 4, их идентификации. Кроме того, РО 2 содержит подсоединенную к ПРУ 17 подсистему 18, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от ФЦ антенны ПРУ 16 радиотехнического объекта 2 до ФЦ антенн ПАУ 5 n-тых пунктов 4, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения пространственных координат ФЦ антенны ПАУ 16 радиотехнического объекта 2 по указанным относительным дальностям и известным на РО 2 координатам ФЦ антенн ПАУ 5 каждого n-того пункта 4 НПРС 3.
Кроме того, ПАМ 10 перемещения ФЦ антенны ПАУ 8 контрольной наземной радиотехнической станции 7 выполнен с возможностью осуществления повторяющихся циклов перемещения, в том числе, с изменением направления перемещения.
n
n
n
n
n
Также ИИП 12 выполнена с возможностью определения дальномерным методом изменяющихся во времени координат x(t), y(t), z(t) ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 контрольной наземной радиотехнической станции 7 по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на КС 7 координатам X, Y, Z ФЦ антенны ПАУ 5 каждого n-того пункта 4 НПРС 3 в указанной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z).
Предложенная система работает следующим образом. Радиосигналы с индивидуальными признаками, содержащие, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, формируют и передают НПРС 3 с упорядоченно пронумерованных n-тых пунктов 4. Радиосигналы принимают на РО 2. Кроме того, р/с принимают и идентифицируют для каждого n-того пункта системы на КС 7. Прием р/с на КС 7 осуществляют либо на стационарную антенну 11, либо на подвижную антенну ПАУ 8, положение фазового центра которой фиксируют, и измеряют частотное отклонение спектра принимаемого р/с от заданного его положения для каждого n-того пункта.
n
n
n
n
n
n
n
ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 перемещают вдоль заданной прямолинейной траектории по заданному закону его перемещения s(t) в течение заданного промежутка времени Δt из положения s(0) в положение s(Δt). Измеряют проекции скорости перемещения ФЦ подвижной антенны ПАУ 8 v(t) на прямые, соединяющие ФЦ подвижной антенны с ФЦ антенн n-тых пунктов 4. Также измеряют соответствующие им ускорения a(t). По проекциям скорости v(t), ускорения a(t) и скорости перемещения ФЦ подвижной антенны V(t), равной производной по времени от перемещения s(t), определяют времена, изменяющиеся во времени, прохождения р/с от ФЦ подвижной антенны до ФЦ антенн n-тых пунктов 4 в соответствии с указанным уравнением измерения. Кроме того, определяют изменяющиеся во времени относительные временные задержки tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие. Для каждого n-того пункта определяют временные сдвиги между T(t) и tr(t).
Полученную информацию отображают и передают потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты системы. На каждом n-том пункте 4 принимают и идентифицируют соответствующую ему информацию об измеренном ЧОС принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге. С использованием информации об измеренном ЧОС обеспечивают частотную подстройку (получение заданного положения спектра передаваемых им р/с) на каждом n-том пункте 4. С использованием информации о временном сдвиге, корректируя временную задержку посылки р/с каждого n-того пункта 4 с учетом указанного временного сдвига, обеспечивают общую синхронизацию передаваемых всеми пунктами 4 радиосигналов.
n
n
n
n
n
При приеме р/с на РО 2 их идентифицируют соответствующим n-тым передающим р/с пунктам 4, определяют, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, относительные дальности от ФЦ антенны принимающего р/с РО 2 до ФЦ антенн передающих р/с n-тых пунктов 4. По относительным дальностям и известным на РО 2 координатам X, Y, Z ФЦ передающих антенн каждого n-того пункта 4 НПРС однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны РО 2. Для определения пространственных координат ФЦ антенны РО 2 по относительным дальностям до него можно использовать, например, методы по патентам там RU №№2530231, 2530239, 2530240, 2638572 или по международным заявкам в системе РСТ (WO/2015/012733, WO/2015/ 012734, WO/2015/012737) или опубликованным 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). Также по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на КС 7 координатам ФЦ передающих антенн каждого n-того пункта 4 НПРС в трехмерной декартовой системе координат определяют дальномерным методом (например, по патентам автора RU №№2484604, 2484605 или опубликованным в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом//Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]) изменяющиеся во времени координаты x(t), y(t), z(t) ФЦ принимающей подвижной антенны КС.
Перемещения ФЦ антенны КС осуществляют в виде повторяющихся циклов, в том числе, с изменением направления перемещения. Для перемещения ФЦ антенны КС могут использоваться, например, промышленные модули линейного перемещения (например, приведенные в каталоге www.servotechnica.ru/catalog) на базе линейных синхронных двигателей, состоящих из подвижного якоря (он, а также антенна, крепятся на перемещаемой каретке модуля) и магнитной дороги, обеспечивающие линейный ход до 9 м со скоростью до 5 м/с. Сервопривод с программируемым логическим контроллером позволит задавать закон перемещения s(t). Отметим, что в некоторых случаях могут быть использованы вибраторы с соответствующим направлением вибраций.
Измерение скоростей основано на измерении смещения частоты сигнала, связанного с эффектом Доплера. Аналогичная система может быть применена и при использовании других диапазонов частот (оптических, акустических).
Перечислим основные достоинства системы:
- пространственные координаты РО определяются однозначно с высокой точностью без привлечения дополнительной априорной информации о местоположении РО:
- не требуется единая система времени на РО и НПРС;
- реализация системы проще и дешевле, чем известных аналогов;
- осуществляется частотная подстройка у всех передаваемых НПРС р/с по эталонному генератору принимающего радиосигналы КС;
- обеспечивается общая синхронизация передаваемых всеми пунктами р/с;
- не предъявляются высокие требования к вычислительной системе по быстродействию и объему памяти.
Результативность и эффективность использования заявляемой системы состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования навигационных систем.
Таким образом, заявляемая система 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 заявленной системы 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».