СИСТЕМА ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НА ОБЪЕКТАХ
SYSTEM TO RECEIVE RADIO SIGNALS AT OBJECTS

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. Для решения этих задач в первую очередь необходимо однозначное и точное определение пространственных координат объекта.
Известны системы приема радиосигналов на объектах, используемые, в том числе, для определения координат объектов 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.: Машиностр., 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, недостаточную разрешающую способность по дальности, необходимость априорной информации о местоположении объекта, невозможность однозначного определения координат объекта, ненадежность и др.
По критерию минимальной достаточности за прототип принята система приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, включающая расположенные на объектах и последовательно функционально связанные приемники радиосигналов от источников радиосигналов, устройства идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистраторы моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измерители разности времен между временами приемов радиосигналов с разных источников радиосигналов, подсистемы обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками радиосигналов, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой расположены в заданных и известных на объектах точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, X, Y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0Z, направленной от земли [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 объектах 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 приемники радиосигналов от источников радиосигналов, устройства идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистраторы моментов времени приема радиосигналов, измерители разности времен между временами приемов радиосигналов с разных источников радиосигналов, подсистемы обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками радиосигналов, передаваемых с шести пунктов наземной пунктовой передающей подсистемы. При этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Подсистемы обработки информации содержат, в том числе, вычислители, выполненные с возможностью определения пространственных координат посредством использования простых выражений, зависящих от измеренных разностей между указанными временами приемов радиосигналов. Более высокая точность достигается, в том числе, за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов определения координат объекта в каждой точке пространства наилучшего по точности. Система позволяет получить близкую к круговой зону ее действия и существенно увеличивает объем этой зоны. Также система обеспечивает исключение неоднозначности определения координат, позволяет формировать конфигурацию ее зоны действия в зависимости от поставленной задачи.
1
1
1
2
3
2
4
4
5
6
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
Для достижения указанного технического результата в системе приема радиосигналов на объектах, в том числе подвижных, включающей расположенные на объектах и последовательно функционально связанные приемники радиосигналов от источников радиосигналов, устройства идентификации их соответствующим источникам радиосигналов, регистраторы моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измерители разности времен между временами приемов радиосигналов с разных источников радиосигналов, подсистемы обработки информации и наземную пунктовую передающую подсистему с источниками радиосигналов, фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов которой расположены в заданных и известных на объектах точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, X, Y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0Z, направленной от земли, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая передающая подсистема включает шесть пунктов передачи, упорядоченных заданным образом и разделенных на две группы, причем первая группа из трех пунктов передачи содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х=0, Y=2b; , Y=-b; , Y=-b, и вторая группа из трех пунктов передачи также содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h, в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х=0, Y=-2a, , Y=а; , Y=а, где a и b заданные положительные числа, кроме того, указанная подсистема включает средства обеспечения передачи упорядоченных серий из шести упорядоченных для передачи в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно, при необходимости содержит устройства обеспечения заданных задержек по времени между указанными сериями радиосигналов, не обязательно одинаковыми от серии к серии, и преимущественно включает средства экранирования отраженных от земли радиосигналов, а упомянутые объекты содержат средства измерений преимущественно трех групп разностей Δt между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы, причем эти средства измерений выполнены с возможностью измерения Δt в первой группе для i-тых пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1, измерения Δt во второй группе для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, измерения Δt в третьей группе для i-тых пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3, также подсистемы обработки информации на упомянутых объектах содержат, в том числе, вычислители, выполненные с возможностью по совокупности указанных разностей времен Δt через параметры
1
6,1
1
5,1
1
3,1
1
2,1
1
4,1
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
2
5,2
2
4,2
2
1,2
2
3,2
2
6,2
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
3
4,3
3
6,3
3
2,3
3
1,3
3
5,3
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
i,j
i,j
где d=cΔt, с - скорость распространения радиосигнала, для каждой упомянутой j-той группы определять параметры
; ,
j
j
j
j
j
j
по совокупностям параметров l, w, u, p и М, N определять параметры
j
j
j
j
j
j
j
j
2
2
2
2
A=(2lM- N)/b, B(2wM- N)/b,
j
j
j
j
j
j
j
j
2
2
2
2
C=(2uM- N)/a, D(2pM- N)/a
j
j
j
j
j
j
m
j
m
j
j
jm
jm
jm
m
jm
jm
jm
j
и по М и совокупности параметров А, В, С, D для каждой упомянутой j-той группы преимущественно определять параметр , по К идентифицировать группу и соответствующий ей индекс j=j, для которой параметр К минимальный, для найденного таким образом значения индекса j=j через параметры М и N определять дальность dt=-0.5N/М от объекта до пункта передачи с индексом j=j по dt и совокупностям параметров l, w, s определять параметры
,
0
0
0
и через них определять преимущественно пространственные координаты объекта (X, Y, Z)
0
jm
jm
jm
jm
0
jm
jm
jm
jm
X=xα+yβ, Y=-xβ+yα,
,
1
1
2
3
где α=1, β=0; α=-1/2, ; α=-1/2, .
i,j
Кроме того, для одночастотной наземной пунктовой передающей подсистемы в нее введены устройства обеспечения задержек между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и задержек между указанными сериями, превышающими максимальное из значений , , , c учетом длительности радиосигналов и разности времен прихода на объекты неотраженных и отраженных от земли радиосигналов, определения разностей Δt между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы системы с учетом времен соответствующих задержек.
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. На фиг.1 показана заявляемая система, на фиг.2 - расположение пунктов в наземной передающей подсистеме, на фиг.3-6 - примеры расчета зон действия системы с заданными погрешностями определения координат объекта. Как и в прототипе, система приема 1 (фиг.1) включает расположенные на объекте 2 (пояснения даются на примере одного объекта) и последовательно функционально связанные приемник 3 радиосигналов от источников радиосигналов 8, устройство 4 идентификации их соответствующим источникам радиосигналов (передающим пунктам), регистратор 5 моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, измеритель 6 разности времен между временами приемов радиосигналов с разных источников радиосигналов, подсистему обработки информации 7 и наземную пунктовую передающую подсистему 9 с источниками радиосигналов. Фазовые центры передающих антенн каждого из передающих пунктов подсистемы 9 расположены, как показано на фиг.2, в заданных и известных на объектах точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, X, Y), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0Z, направленной от земли.
1
1
1
2
3
2
4
4
5
6
i,j
i,j
i,j
i,j
а
Система содержит упомянутые составляющие прототипа 1…9 и их функциональные связи, но в отличие от него подсистема 9 включает шесть пунктов передачи, показанных на фиг.2 и обозначенных цифрами 1…6, упорядоченных заданным образом и разделенных на две группы. При этом первая группа из трех пунктов передачи (белые кружки 1, 2, 3) содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными X=0, Y=2b (пункт 1); , Y=-b (пункт 2); , Y=-b (пункт 3). Вторая группа из трех пунктов передачи (черные кружки 4, 5, 6) также содержит преимущественно ненаправленные передающие антенны, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными X=0, Y=-2а (пункт 4); , Y=а (пункт 5); , Y= (пункт 6), где a и b заданные положительные числа. Кроме того, подсистема 9 включает средства 17 обеспечения передачи упорядоченных серий из шести упорядоченных для передачи в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно, при необходимости содержит устройства 18 обеспечения заданных задержек по времени между указанными сериями радиосигналов, не обязательно одинаковыми от серии к серии, и преимущественно включает средства 19 экранирования отраженных от земли радиосигналов. Объект 1 содержит средства измерений 10, 11, 12 преимущественно трех групп разностей Δt между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы 9, причем эти средства измерений выполнены с возможностью измерения Δt в первой группе (10) для i-тых пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1, измерения Δt, во второй группе (11) для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2, измерения Δt в третьей группе (12) для i-тых пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3. Также подсистема обработки информации 7 на объекте 2 содержит, в том числе, идентификатор 13, вычислитель дальности 14, вычислитель вспомогательных параметров 15 и вычислитель пространственных координат объекта.
Предложенная система 1 работает следующим образом. Радиосигналы наземной пунктовой передающей подсистемы 9 передают с антенн, фазовые центры которых находятся в заданных точках в прямоугольной системе координат с началом координат в заданной точке 0, находящейся преимущественно на поверхности земли, с плоскостью (0, х, у), касательной к поверхности земли в точке 0, и осью 0z, направленной от земли. На приемнике 3 объекта 2 принимают радиосигналы от источников радиосигналов, идентифицируют их в устройстве 4 соответствующим пунктам, 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 6 и в подсистеме 7 обрабатывают полученную информацию.
1
1
1
2
3
2
4
4
5
6
i,j
i,j
i,j
i,j
Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем определения пространственных координат и других характеристик объекта, достигается за счет того, что наземная пунктовая передающая подсистема 9 включает шесть пунктов передачи (фиг.2), упорядоченных заданным образом. При этом в первой группе из трех пунктов передачи 1, 2, 3 радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными X=0, Y=2b; , Y=-b; , Y=-b. Во второй группе из трех пунктов передачи 4, 5, 6 радиосигналы передают преимущественно ненаправленными передающими антеннами, фазовые центры которых расположены на одинаковой заданной высоте Z=h в вершинах равностороннего треугольника с координатами на плоскости (0, X, Y), равными Х=0, Y=-2a; , Y=а; , Y=а. При этом средство 17 обеспечивает передачу упорядоченных серий из шести упорядоченно передаваемых в серии радиосигналов, по одному радиосигналу с каждого пункта соответственно. Средство 19 преимущественно обеспечивает экранирование отраженных от земли радиосигналов. На объекте 2 измерителями 10, 11, 12 производят преимущественно три группы измерений разностей Δt между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов передающей подсистемы. При этом в первой группе измерителем 10 производят упомянутые измерения Δt для i-тых пунктов с индексами 2, 3, 4, 5, 6 относительно первого пункта с индексом j=1. Во второй группе измерителем 11 производят упомянутые измерения Δt для i-тых пунктов с индексами 1, 3, 4, 5, 6 относительно второго пункта с индексом j=2. В третьей группе измерителем 12 производят упомянутые измерения Δt для i-тых пунктов с индексами 1, 2, 4, 5, 6 относительно третьего пункта с индексом j=3.
i,j
В подсистеме обработки информации 7 вычислители выполнены с возможностью по совокупности измеренных указанных разностей времен Δt через параметры
1
6,1
1
5,1
1
3,1
1
2,1
1
4,1
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
2
5,2
2
4,2
2
1,2
2
3,2
2
6,2
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
3
4,3
3
6,3
3
2,3
3
1,3
3
5,3
l=d, w=d, u=d, p=d, s=d;
i,j
i,j
где d=cΔt, с - скорость распространения радиосигнала, для каждой упомянутой j-той группы определения параметров
; ,
j
j
j
j
j
j
и по совокупностям параметров l, w, u, p и М, N определения параметров
j
j
j
j
j
j
j
j
2
2
2
2
A=(2lM- N)/b, B(2wM- N)/b,
j
j
j
j
j
j
j
j
2
2
2
2
C=(2uM- N)/a, D(2pM- N)/a.
j
j
j
j
j
m
j
m
j
j
jm
jm
jm
m
jm
jm
jm
j
По М и совокупности параметров А, В, С, D для каждой упомянутой j-той группы преимущественно определяют параметр . По определенным К идентификатором 13 определяют группу и соответствующий ей индекс j=j, для которой параметр К минимальный. В этом случае достигается более высокая точность за счет возможности выбора из трех предлагаемых вариантов определения пространственных координат объекта, производимых в каждой точке пространства, наилучшего по точности. Для найденного таким образом значения индекса j=j и через параметры M и N в вычислителе 14 определяют дальность dt=-0.5N/М от объекта до пункта передачи с индексом j=j. Далее по dt и совокупностям параметров l, w, s в вычислителе 15 определяют параметры
0
0
0
и через них в вычислителе 16 определяют преимущественно пространственные координаты объекта (Х, Y, Z)
0
jm
jm
jm
jm
0
jm
jm
jm
jm
X=xα+yβ, Y=-xβ+yα,
1
1
2
3
где α=1, β=0; α=-1/2, ; α=-1/2, .
i,j
i,j
Также для одночастотной подсистемы 9 в нее введены устройства 18, обеспечивающие задержки между радиосигналами, передаваемыми с каждого пункта, и задержки между указанными сериями, превышающими максимальное из значений , ,  с учетом длительности радиосигналов и разности времен прихода на объекты неотраженных и отраженных от земли радиосигналов, определения разностей Δt между временами приемов радиосигналов с i-тых пунктов и временами приемов радиосигналов с j-тых пунктов передающей подсистемы системы с учетом времен соответствующих задержек. Можно уменьшить влияние на точность измерения координат случайных погрешностей измерений Δt, например, посредством многократного (N раз) повторения измерений, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в  раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения. Систематические ошибки могут быть исключены путем калибровки.
Система позволяет варьировать конфигурацию зоны ее действия и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать зоны, в том числе близкие к круговым, с погрешностью в зоне, не превышающей погрешности измерения 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.
i,j
1
2
j
m
j
m
Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примерах математического моделирования определения пространственных координат. Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки σ отдельных измерений d, равные 0.6 метра, высоты фазовых центров первых трех антенн (1, 2, 3) h=1 м, высоты фазовых центров трех других антенн (4, 5, 6) h=3 м, a=10 км, b=10 км, z=10 км. На фигурах звездочками отмечено расположение первых трех пунктов, а треугольниками - вторых трех пунктов, цифрами 1…4 отмечены границы зон, внутри которых среднеквадратические ошибки определения значений дальностей dt от объекта до пункта передачи с индексом j не превышают заданные (1-1 км, 2-0.5 км, 3-0.2 км, 4-0.05 км). На фиг.3 представлены результаты моделирования для j=1, на фиг.4 - для j=1, на фиг.5 - для j=3. Результаты моделирования для случая, когда в каждой точке пространства определяют индекс j=j, для которого К минимальное, и определение координат производят для параметров, соответствующих этому j, представлены на фиг.6. Такой подход позволяет получить близкую к круговой зону действия и существенно увеличить ее объем.
Перечислим основные достоинства системы:
- обеспечивает однозначное определение пространственных координат объекта с заданной точностью,
- определение координат реализуется с помощью современной элементной базы и микропроцессорной техники,
- эффективнее использует ресурс связи,
- одновременно обслуживает несколько объектов,
- позволяет получить, в том числе, близкую к круговой зону действия системы определения пространственных координат с заданной точностью и существенно увеличивает ее объем.
Результативность и эффективность использования заявляемой системы приема радиосигналов на объектах состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объектов, а также в других приложениях. Система позволяет определять их однозначно простыми по сравнению с известными методами.
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 «новизны».
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».