СИСТЕМА ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НА ОБЪЕКТЕ
SYSTEM FOR RECEIVING RADIO SIGNALS AT FACILITY

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к системам приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, от источников радиосигналов, передаваемых наземной пунктовой передающей подсистемой, и может быть использовано для определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, в информационно-управляющих радиотехнических системах различного назначения, в том числе в системах навигации и посадки летательных аппаратов.
Изобретение позволит, кроме того, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.
Известны системы приема радиосигналов на объекте, используемые, в том числе, для определения координат объекта и 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 №№2018855, 2115137, 2258242, 2309420, 2363117; Основы испытаний летательных аппаратов / Е.И.Кринецкий и др. Под ред. Е.И.Кринецкого. - М.: Машиностроение, 1979, с.64-89; Радиотехнические системы / Ю.М.Казаринов и др. Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, гл. 10.; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.: «Радиотехника», 2008, гл. 5]. Известные системы имеют те или иные недостатки, например необходимость механического перемещения антенной составляющей, необходимость априорной информации о местоположении объекта, невозможность однозначного определения координат объекта, ненадежность и др.
1
2
3
1
2
3
По критерию минимальной достаточности за прототип принята система приема радиосигналов на объекте, в том числе подвижном, включающая расположенные на объекте и последовательно функционально связанные приемник радиосигналов от источников радиосигналов, устройство идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистратор моментов времен приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством синхронизации на приемной стороне, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов от разных источников радиосигналов, подсистему обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками передаваемых радиосигналов, функционально связанными с устройством синхронизации на передающей стороне, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой расположены в заданных преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей, и известных на объекте точках пространства [Радиотехнические системы / Ю.М.Казаринов и др. Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, гл.10, с 437-443, 449-454].
Преимуществом заявляемой системы приема радиосигналов на объекте по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат. Это достигается тем, что на объекте расположены и последовательно функционально связаны приемник радиосигналов от источников радиосигналов, устройство идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистратор моментов времен приема радиосигналов, функционально связанные с устройством синхронизации на приемной стороне, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов от разных источников радиосигналов, подсистему обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками радиосигналов, функционально связанными с устройством синхронизации на передающей стороне, передаваемых с шести пунктов наземной пунктовой передающей подсистемы. При этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Подсистема обработки информации содержит, в том числе, вычислитель, выполненный с возможностью определения пространственных координат посредством использования простых выражений, зависящих от измеренных разностей между указанными временами приемов радиосигналов. Высокая точность достигается, в том числе, благодаря выполнению вычислителя с возможностью выбора из предлагаемой в изобретении совокупности вариантов координат объекта в каждой точке пространства наилучшего по точности. Система обеспечивает исключение неоднозначности определения координат и позволяет формировать конфигурацию ее зоны действия в зависимости от поставленной задачи.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
3
i,j
i,j
i,j
i,j
j,k
Для достижения указанного технического результата в системе приема радиосигналов на объекте, в том числе подвижном, включающей расположенные на объекте и последовательно функционально связанные приемник радиосигналов от источников радиосигналов, устройство идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистратор моментов времен приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством синхронизации на приемной стороне, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов от разных источников радиосигналов, подсистему обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками передаваемых радиосигналов, функционально связанными с устройством синхронизации на передающей стороне, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой расположены в заданных преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей, и известных на объекте точках пространства, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая передающая подсистема включает шесть пунктов передачи, каждый из которых содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке O с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, при этом значение полуоси r задано меньшим упомянутой высоты H, кроме того, указанная передающая подсистема включает функционально связанные с упомянутым устройством синхронизации на передающей стороне средство обеспечения передачи упорядоченных серий из шести упорядочение передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу в серии с каждого пункта соответственно, и при необходимости устройство обеспечения заданных, не обязательно одинаковых, задержек по времени между радиосигналами и заданного времени передачи серии, необязательно одинакового от серии к серии, и преимущественно включает средства экранирования отраженных от земли радиосигналов, а упомянутый измеритель разности времен выполнен с возможностью измерения по принятым радиосигналам соответственно индексу j шести групп разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта путем измерений разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов с i-тых пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-тых пунктов относительно радиосигналов с j-тых пунктов, при этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6, также упомянутая подсистема обработки информации на объекте содержит, в том числе, вычислитель дальностей, выполненный с возможностью по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt через имеющие размерность длины параметры d=cΔt, где c - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-той из шести упомянутых групп трижды определять дальности D в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3, от объекта до соответствующих j-тых пунктов передачи в соответствии с выражением
1
2
2
2
где индекс k=(k-3k+4)/2 и индекс k=(5k-k)/2, безразмерный множитель
m,k
0,k
1,k
2,k
3,k
4,k
2
2
2
2
2
а безразмерные коэффициенты A соответственно равны A=(9k-45k+36)/2; A=-(39k-180k+126)/4; A=(49k-214k+134)/8; A=-(6k-25k+14)/4; A=(k-4k+2)/8, и вычислитель координат, выполненный с возможностью определять с использованием указанных параметров и дальностей преимущественно пространственные координаты объекта, при этом вычислитель координат выполнен с возможностью в каждой упомянутой серии радиосигналов шестикратного определения каждой из координат объекта в соответствии с выражением
n,j
n,j
n,j
n,j
где индекс i=j+3θ, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ=(9-2j)/3, также средство обеспечения передачи упорядоченных серий выполнено с возможностью производства совокупности заданного числа M следующих подряд серий с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен передачи входящих в нее М серий, а указанный вычислитель координат подсистемы обработки информации на объекте выполнен преимущественно с возможностью определения статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно определяемой в серии, по всей совокупности M серий, в том числе математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий, также указанный вычислитель координат выполнен с возможностью определения каждой из координат в заданный момент времени из длительности времени передачи совокупности М серий преимущественно как одной из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты и возможностью исключения из предыдущей совокупности первой серии и включения серии, следующей за последней серией предыдущей совокупности, и повторения в последующих совокупностях полученных таким образом из М серий всех указанных вычислительных действий в упомянутом порядке, а при необходимости вычислитель координат выполнен с возможностью определения других параметров движения объекта по определенным в заданные моменты времени значениям его координат.
max
max
Кроме того, для одночастотной наземной пунктовой передающей подсистемы устройство обеспечения задержек по времени между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, выполнено с возможностью обеспечения задержек, преимущественно превышающих значение l/c, где l - расстояние между наиболее удаленными друг от друга фазовыми центрами передающих антенн передающих пунктов, с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов.
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о системах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать заявляемую систему новой и имеющей изобретательский уровень. Предлагаемая система благодаря отличительным признакам обеспечивает повышение технико-экономической эффективности систем данного назначения.
Ниже изобретение описано более детально со ссылками на фигуры.
1
2
3
1
2
3
На фиг.1 показана заявляемая система, на фиг.2-5 проллюстрированы примеры определения зон действия системы с заданными среднеквадратическими ошибками измерения координаты объекта. Как и в прототипе, система приема 1 (фиг.1) включает расположенные на объекте 2 и последовательно функционально связанные приемник 3 радиосигналов от источников радиосигналов 10, устройство 4 идентификации их соответствующим источникам радиосигналов (передающим пунктам), регистратор 5 моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством 6 синхронизации на приемной стороне. Также на объекте 2 расположены измеритель 7 разности времен между временами приемов радиосигналов от разных источников радиосигналов и подсистема обработки информации 8. Система 1 включает наземную пунктовую передающую подсистему 9 с источниками 10 передаваемых радиосигналов, функционально связанными с устройством синхронизации 11 на передающей стороне. Фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов подсистемы 9 расположены в заданных и известных на объектах точках в преимущественно прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте Н над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ,), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
3
i,j
Система 1 содержит упомянутые составляющие прототипа 1…11 и их функциональные связи, но в отличие от него подсистема 9 включает шесть пунктов передачи, каждый из которых содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке O с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, при этом значение полуоси r задано меньшим упомянутой высоты H. Кроме того, подсистема 9 включает функционально связанные с устройством синхронизации 11 средство 12 обеспечения передачи упорядоченных серий из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу в серии с каждого пункта соответственно. При необходимости подсистема 9 включает устройство 13 обеспечения заданных, необязательно одинаковых задержек по времени между радиосигналами и заданного времени передачи серии, необязательно одинакового от серии к серии, и преимущественно включает средства экранирования 14 отраженных от земли радиосигналов. Также измеритель 7 разности времен выполнен с возможностью измерения по принятым радиосигналам соответственно индексу j шести групп разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта 2 путем измерений разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов с i-тых пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы 9 с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-тых пунктов относительно радиосигналов с j-тых пунктов. Кроме того, подсистема обработки информации 8 на объекте 2 содержит, в том числе, вычислитель дальностей 15 и вычислитель 16 преимущественно пространственных координат объекта.
Предложенная система 1 работает следующим образом.
1
2
3
1
2
3
Радиосигналы наземной пунктовой передающей подсистемы 9 передают с антенн, фазовые центры которых находятся в заданных и известных на объекте точках пространства преимущественно в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей. На приемнике 3 объекта 2 принимают радиосигналы от источников радиосигналов 10, идентифицируют их в устройстве 4 соответствующим источникам (пунктам), синхронизированно регистрируют моменты приема радиосигналов регистратором 5, например, по временным положениям их передних фронтов, и измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов с разных пунктов передающей подсистемы измерителем 7 и в подсистеме 8 обрабатывают полученную информацию.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
i,j
i,j
i,j
i,j
j,k
Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что наземная пунктовая передающая подсистема 9 включает шесть пунктов передачи, упорядоченных заданным образом. Радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке O с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, причем значение полуоси г3 задано меньшим упомянутой высоты H. При этом средство 12 обеспечивает передачу упорядоченных серий из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно. Средство 14 преимущественно обеспечивает экранирование отраженных от земли радиосигналов. Радиосигналы передают при необходимости с заданными, необязательно одинаковыми задержками по времени между ними и с заданным временем передачи серии, необязательно одинаковым от серии к серии. На объекте по принятым радиосигналам в измерителе 7 производят соответственно индексу j шесть групп измерений разностей времен прохождения радиосигналами расстояний от фазовых центров передающих антенн до фазового центра приемной антенны объекта путем измерений разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов с i-тых пунктов и моментами времен приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы с исключением соответственно времен задержек или времен опережений радиосигналов с i-тых пунктов относительно радиосигналов с j-тых пунктов. При этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6. В подсистеме обработки информации 8 вычислитель дальности 15 выполнен с возможностью по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt через имеющие размерность длины параметры d=сΔt, где c - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-той из шести упомянутых групп трижды (в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3) определять дальности D, от объекта до соответствующих j-тых пунктов передачи в соответствии с выражением
1
2
2
2
Здесь индекс k=(k-3k+4)/2 и индекс k=(5k-k)/2, безразмерный множитель
,
m,k
0,k
1,k
2,k
3,k
4,k
2
2
2
2
2
а безразмерные коэффициенты A соответственно равны A=(9k-45k+36)/2, A=-(39k-180k+126)/4, A=(9k-214k+134)/8, A=-(6k-25k+14)/4, A=(k-4k+2)/8. Затем в вычислителе 16 определяют преимущественно пространственные координаты объекта в соответствии с выражением
.
n,j
n,j
n,j
n,j
Здесь индекс i=j+3θ, a соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ=(9-2j)/3.
В каждой серии радиосигналов каждую из координат объекта определяют шестикратно. Средство 12 обеспечивает передачу совокупности заданного числа М следующих подряд серий с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен передачи входящих в нее M серий. При этом вычислитель координат 16 производит преимущественно определение статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно определяемой в серии, по всей совокупности М серий, в том числе, математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий [см., например. Б.Ф.Жданюк. Основы статистической обработки траекторных измерений - М.: Сов. радио, 1978 - 384 с]. Также вычислитель 16 каждую из координат определяет в заданный момент времени (из длительности времени передачи совокупности M серий) преимущественно как одно из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты. Этим обеспечивают более высокую точность измерений координат объекта, производимых в каждой точке пространства. Кроме того, вычислитель 16 исключает из предыдущей совокупности первую серию и включает серию, следующую за последней серией предыдущей совокупности, и в последующих совокупностях, полученных таким образом из M серий, повторяет все указанные действия в упомянутом порядке. При необходимости по измеренным в заданные моменты времени значениям координат определяют другие параметры движения объекта.
max
max
Для одночастотной наземной пунктовой передающей подсистемы устройство 13 обеспечения задержек по времени между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, производит задержки, преимущественно превышающие значение l/c, где l - расстояние между наиболее удаленными друг от друга фазовыми центрами передающих антенн передающих пунктов, с учетом длительности радиосигнала и разности времен прихода на объект неотраженного и отраженного от земли радиосигналов.
Система позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать зоны с погрешностью в зоне, не превышающей заданной погрешности определения координат на границе зоны. Система обладает достаточным быстродействием определения координат и параметров объекта при сохранении заданной точности и может быть реализована с помощью современной элементной базы и микропроцессорной техники.
3
1
2
3
1
2
3
3
Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примере определения зон, обозначенных на фиг.2…5 светлым тоном, внутри которых и на их границах среднеквадратические ошибки измерения значений координаты ξ в плоскости (О', ξ, ξ), расположенной на высоте движения объекта OO', равной 1000 метров (ξ=1000 м), не превышают заданного значения 10 метров. Заданы высота H=20 метров, значения r=300 м, r=700 м, r=15 м. Прямоугольником обозначен размер и ориентация взлетно-посадочной полосы условного аэродрома, значками обозначены расположения фазовых центров антенн передающих пунктов. На фиг.2 представлена указанная зона при упомянутом индексе k=1 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.3 - соответственно при индексе k=2 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.4 - соответственно при индексе k=3 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6. На фиг.5 представлена указанная зона для общей композиции, объединяющей указанные композиции, соответствующие фиг 2, 3 и 4, в которой координату ξ определяют в заданный момент времени преимущественно как одно из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты.
Перечислим основные достоинства системы:
- обеспечивает однозначное измерение пространственных координат объекта с заданной точностью,
- может быть реализована с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники,
- обеспечивает эффективное использование радиочастотного спектра,
- позволяет одновременно обслуживать несколько объектов,
- позволяет варьировать конфигурацию указанной зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи и особенностей рельефа окружающей местности.
Результативность и эффективность использования заявляемой системы приема радиосигналов на объекте состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объекта, а также в других приложениях. Система позволяет определять координаты однозначно и достаточно просто.
Таким образом, отличительные признаки заявляемой системы обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию «новизна».
Результаты поиска известных решений, в том числе имеющих отношение к радиопеленгации, радионавигации, радиоуправлению и связи, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».