ФАЗОРАЗНОСТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ
PHASE-DIFFERENCE METHOD OF LOCATING NAVIGATION OBJECT

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации.
Известен защищенный патентом РФ №2204145, кл. G01S 3/46, 2003, способ определения координат источника излучения, основанный на приеме его сигнала тремя антеннами, образующими ортогональные базы.
Такое действие, как определение направления на источник излучения, является существенным признаком и заявляемого способа.
Известен также защищенный патентом РФ №2013785, кл. G01S 13/00, 1994, способ определения местоположения подвижных объектов, заключающийся в излучении кодированных сигналов передатчиками объектов, приеме сигналов в N пространственно разнесенных пунктах с последующей ретрансляцией их на центральный пункт обработки и измерении задержек между принятыми сигналами.
Ретрансляция сигналов на центральный пункт обработки является существенным признаком и заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах, защищенных патентами РФ, технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость использования достаточно сложной системы единого времени.
Известен разностно-дальномерный способ определения местоположения мобильных объектов, заключающийся в поочередном излучении сетью опорных навигационных пунктов, расположенных в точках пространства с известными координатами, когерентных гармонических сигналов, их приеме на мобильном объекте, принятых от каждого опорного объекта и вычислении по ним координат мобильного объекта [Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1994, с. 211-214].
Измерение фазовых сдвигов сигналов и вычисление по ним координат мобильного объекта является существенным признаком и заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость в использовании высокоточной шкалы единого времени на объекте навигации и сложность реализации при больших расстояниях между опорными радионавигационными точками и объектом навигации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ определения местоположения объекта навигации (заявка на патент №2014116786 от 24.04.2014, решение о выдаче патента от 05.06.2015).
Способ заключается в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек.
Такие действия, как излучение объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, прием их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формирование из них сигналов разностной частоты, передача указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерения в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, являются существенными признаками заявляемого способа.
Причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность определения координат объекта навигации в зоне обслуживания радионавигационной системы, использующей этот способ.
Размеры этой зоны обслуживания в способе-прототипе ограничены областью пространства, в которой расстояния между объектом навигации и каждой из опорных радионавигационных точек должны разниться между собой не более чем на половину длины волны сигнала с частотой, равной разности частот высокочастотных сигналов, излучаемых с объекта навигации. Только в этом случае координаты объекта навигации могут быть определены однозначно.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения координат объекта навигации и расширение области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации без снижения точности.
Для достижения указанного технического результата в известном способе определения местоположения объекта навигации, заключающемся в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, из каждого сигнала разностной частоты в центральном пункте обработки дополнительно формируют сигнал масштабной частоты, величина которой в n раз больше разностной частоты, измеряют разности фаз сигналов масштабной частоты, сформированных для разных опорных точек, а результаты измерений разностей фаз сигналов на разностной и масштабной частотах пересчитывают с учетом взаимного расположения опорных радионавигационных точек и центрального пункта обработки в координаты объекта навигации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:
- на фиг. 1 - взаимное положение объекта навигации и трех опорных радионавигационных точек в прямоугольной системе координат 0XY;
- на фиг. 2 - зона однозначного определения координат объекта навигации в привязке к этим точкам.
MO
MO
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
Функционирование способа поясняется фиг. 1, на которой показаны мобильный объект (МО) навигации, находящийся в точке с неизвестными координатами X и Y, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, расположенные в точках с известными координатами Х и Y, X и Y и Х и Y соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 равны соответственно R, R и R. Там же показаны расстояния D, D, D между объектом навигации и опорными радионавигационными точками.
MO
1
2
С объекта навигации излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 сигнал S(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с частотами ω и ω:
MO
1
1
2
2
S(t)=A[cos(ωt+φ)+cos(ωt+φ)].
1
2
Эти сигналы излучают в течение промежутка времени, достаточного для осуществления фазовых измерений этих сигналов (эти измерения осуществляют в ЦПО, подробнее об этом будет сказано ниже). Указанные сигналы имеют амплитуды А и начальные случайные фазы φ к φ.
1
2
3
1
2
3
Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, удаленных от объекта навигации на расстояния D, D и D соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S(t), S(t) и S(t) имеют следующий вид:
8
где с=2,9979·10 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.
i
1
2
р
1
2
В каждой из опорных радионавигационных точек из принятого сигнала s(t) , представляющего собой сумму двух высокочастотных гармонических сигналов с частотами ω и ω, формируют сигналы с разностной частотой ω=|ω-ω| (частотой биений):
1
2
3
Эти сигналы различаются амплитудами и фазами, которые определяются расстояниями D, D и D соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО. Таким образом, в ЦПО принимают три следующих сигнала:
1) сигнал, поступивший из ОРТ1:
где ν - скорость распространения гармонического сигнала по проводному каналу.
OPT1
1
Он отличается от сигнала S(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего ОРТ1 и ЦПО.
Этот сигнал можно представить в следующем виде:
Ц1
Ц1
p
1
s(t)=Acos[ωt+ψ],
где ;
2) сигнал, поступивший из ОРТ2:
OPT2
2
Он отличается от сигнала S(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего ОРТ2 и ЦПО.
Этот сигнал также можно представить в виде:
Ц2
Ц2
p
2
s(t)=ACos[ωt+ψ],
где ;
3) сигнал, поступивший из OPT3:
OPT3
3
Он отличается от сигнала S(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего OPT3 и ЦПО.
Этот сигнал также можно записать в виде:
Ц3
Ц3
p
3
S(t)=Acos[ωt+ψ],
где
21
2
1
Ц2
Ц1
23
2
3
Ц2
Ц3
В ЦПО измеряют разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов s(t) и s(t), и разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов s(t) и s(t):
21
23
1
2
Как следует из этих выражений, разности фаз Δψ и Δψ не зависят от начальных фаз излучаемых МО сигналов φ и φ.
21
23
Вторые слагаемые  и  в уравнениях для разностей фаз Δψ и Δψ представляют собой фазовые набеги сигналов разностной частоты при их распространении из опорных радионавигационных точек к ЦПО. Они не зависят от пространственного положения объекта навигации и полностью определяются лишь расположением ЦПО относительно точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3. Эти величины можно рассчитать заранее.
21
23
2
1
2
3
Из измеренных в ЦПО разностей фаз Δψ и Δψ вычитают указанные выше фазовые набеги  и . В результате находят разности фаз сигналов разностной частоты для опорных точек ОРТ2 и ОРТ1, а также ОРТ2 и OPT3 с учетом фазовых набегов. Эти разности фаз используются для вычисления разности дальностей D-D и D-D, которые, в свою очередь, используют для вычисления координат объекта навигации.
21
23
р
р
Однозначное определение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, для которой разности фаз Δψ и Δψ сигналов разностной частоты не выходят за пределы интервала [-π/2÷π/2]. Это условие выполняется, если в пределах указанной области пространства расстояния от любой ее точки до любой из опорных радионавигационных точек различаются между собой не более чем на половину длины волны λ сигнала разностной частоты ω. Область пространства, для которой выполняется это условие, ограничена четырехугольником ABEF, сторонами которого являются линии положения АВ, EF, BE и AF (фиг. 2), уравнения которых имеют следующий вид:
1
2
где параметр L равен  для линии AF и  для линии BE, а параметр L равен  для линии АВ и  для линии EF.
р
р
Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λ и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω. Следует отметить, что этот путь расширения области однозначного определения координат ведет к снижению точности определения координат.
р
м
Ц1
Ц3
м
Для предотвращения снижения точности определения координат в предлагаемом способе для сигналов, поступивших в ЦПО из разных из пар ОРТ, фазовые измерения осуществляют на двух частотах - на разностной ω и на масштабной ω, которая в n раз (примерно на порядок) превышает разностную. Для этого поступившие в ЦПО сигналы s(t)÷s(t) умножают по частоте в n раз, в результате чего дополнительно получают еще три сигнала с масштабной частотой ω.
р
м
м
Ф
При этом непосредственные фазовые измерения однозначны только на разностной частоте ω, а на масштабной частоте ω результаты непосредственных фазовых измерений неоднозначны. Для расчета координат объекта навигации используют фактические разности фаз Δψ сигналов на масштабной частоте ω для двух разных ОРТ, которые вычисляют на основе результатов фазовых измерений следующим образом:
м
р
где  и  - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ω и ω;
int(x) - целая часть аргумента х.
м
р
Величина k представляет собой целое число периодов сигнала с частотой ω, которое укладывается на интервале времени, соответствующем измеренной разности фаз  на частоте ω.
Ф
Величины коэффициентов k и фактических разностей фаз Δψ находятся для каждой пары ОРТ.
Ниже приведен алгоритм пересчета результатов фазовых измерений в координаты объекта навигации. Этот алгоритм применим для локальных навигационных систем, когда допустимо пренебречь сферичностью Земли, а скорость распространения радиоволн в зоне действия навигационной системы можно считать постоянной.
Исходными данными для расчета являются:
р
- разность фаз  сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
р
- разность фаз  сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3;
м
- разность фаз  сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
м
- разность фаз  сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3.
Кроме того, в расчете используются следующие параметры:
1
- значение первой высокой частоты ω;
2
- значение второй высокой частоты ω,
- скорость распространения радиоволн в атмосфере с;
- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу ν;
21
- расстояние R между второй и первой опорными радионавигационными точками;
23
- расстояние R между второй и третьей опорными радионавигационными точками;
1
2
3
- расстояния R, R и R между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 соответственно;
- коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной.
Порядок расчета следующий.
р
1
2
м
р
1. Вычисляются разностная и масштабная частоты ω=|ω-ω| и ω=n·ω.
2. Вычисляются величины
м
3. Вычисляются фактические разности фаз сигналов для пар точек ОРТ2-ОРТ1 и ОРТ2-OPT3 на частоте ω:
4. Решается навигационная задача - определяются координаты объекта навигации:
а) вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точек
1
2
3
Здесь D, D, D - расстояния от объекта навигации (МО) до первой ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей OPT3 опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 1;
21
23
б) ΔD и ΔD нормируются по длинам базовых линий, и вычисляется параметр γ:
в) определяются постоянные параметры:
α=α<sub>21</sub>-α<sub>23</sub>;
b=γΔd<sub>23</sub>-Δd<sub>21</sub>,
21
21
где α - угол между осью  и базовой линией R;
23
23
α - угол между осью  и базовой линией R;
23
23
г) каким-либо из численных итерационных методов решается уравнение для вычисления угла β между базовой линией R и направлением на объект навигации:
23
23
cos(α-β)-γcosβ=b;
2
д) вычисляется расстояние D от точки ОРТ2 до объекта навигации
е) вычисляются координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:
При необходимости координаты объекта навигации пересчитываются в исходную прямоугольную систему координат
м
То обстоятельство, что в предлагаемом способе используют масштабную частоту ω, а фазовые измерения выполняют на двух частотах, позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации, по сравнению с прототипом и одновременно не ухудшить точность их измерения.
р
В предлагаемом способе для такого расширения достаточно выбрать частоту ω достаточно низкой, а коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной достаточно высоким.
Для примера на фиг. 2 показаны две заштрихованные области пространства, ограниченные четырехугольниками ABEF и GNMK соответственно, в которых возможно однозначное определение координат объекта навигации. Четырехугольник ABEF соответствует частоте биений, примерно в пять раз меньшей, чем четырехугольник GNMK.
р
В способе-прототипе частота биений выбирается достаточно низкой, например равной ω, чтобы обеспечить однозначность фазовых (и соответственно координатных) измерений во всей зоне обслуживания радионавигационной системы. Это обстоятельство не позволяет при ограниченной точности фазовых измерений получить высокую точность определения координат объекта навигации.
р
м
р
р
м
В предлагаемом же способе, фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω, а и на частоте ω, которая в n раз (примерно на порядок) выше ω, при этом измерения на частоте ω используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а окончательные фазовые измерения осуществляются именно на более высокой частоте ω, вследствие чего при той же относительной ошибке фазовых измерений абсолютная ошибка уменьшается в n раз.
Техническая реализация способа не вызывает затруднений.
В качестве примера реализации рассмотрим реализацию предлагаемого способа для построения локальной навигационной системы для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных движущихся объектов: на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс). Для реализации системы может быть выбран диапазон частот 1200-1400 МГц. Зона действия локальной навигационной системы может составлять несколько сотен метров. Формирование двух гармонических сигналов (основного и дополнительного) на объекте навигации можно реализовать на основе двух синтезаторов частоты, синхронизируемых общим опорным генератором и сумматора. В качестве синтезаторов частоты можно применить, например, микросхемы типа ADF4360-5, в которых предусмотрена возможность изменения частоты путем подачи соответствующих цифровых кодов на входы управления и которые позволяют сформировать два высокостабильных гармонических сигнала с разносом частот от (0,1-100) МГц, в качестве опорного генератора термостабилизарованный кварцевый генератор типа NT3225SA.
Для приема гармонических сигналов в опорных радионавигационных точках можно использовать интегральные СВЧ-усилители - микросхемы типа SPF5122Z. В качестве узла формирования сигнала разностной частоты можно использовать смеситель на транзисторе BFP620, в качестве нагрузки которого служит фильтр нижних частот с частотой среза 10 МГц.
Передачу сигналов разностной частоты из опорных радионавигационных точек в центральный приемный пункт можно реализовать по проводным каналам, либо по радиоканалам с разделением их по частоте.
Нормирование принятых в центральном пункте обработки сигналов по амплитуде осуществляется путем амплитудного ограничения принятых сигналов разностной частоты с помощью логарифмических усилителей AD8309.
р
р
p
Умножение частоты ω можно реализовать путем жесткого амплитудного ограничения гармонического сигнала с частотой ω с последующей частотной фильтрацией требуемой гармоники либо на основе схем с фазовой автоподстройкой частоты, в которой в качестве опорного сигнала используется гармонический сигнал с частотой ω.
Измерение разности фаз сигналов разностной частоты в центральном приемном пункте может быть реализовано с помощью фазового детектора на микросхеме SYPD-1.
Аналоговые сигналы с выхода фазового детектора подаются через аналого-цифровые преобразователи на входные порты микопроцессора типа STM, в котором реализуется решение навигационной задачи по приведенному выше алгоритму.
Способ может найти применение при построении локальных навигационных систем для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных движущихся объектов, на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс, на сортировочных горках железнодорожных станций, для автоматизированного управления сельскохозяйственными машинами).