СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF THE NAVIGATION OBJECT

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах при ограниченном доступе к сигналам спутниковых навигационных систем.
Известны способы определения местоположения мобильных объектов [1,2]. Недостатком способов является обеспечение высоких точностных характеристик в ограниченной (малой) области пространства (над взлетно-посадочной полосой аэродрома, площадкой корабля).
Известен способ определения координат наземных и воздушных объектов, реализованный в радионавигационной многопозиционной разностно-дальномерной системе [3]. Способ предусматривает наземное размещение опорного и ведомых навигационных постов, излучаемые сигналы которых формируют локальное навигационное поле. Формируемое поле предназначено для дублирования поля сигналов глобальных спутниковых навигационных систем. Недостатками способа являются сложный состав и алгоритм взаимодействия наземных постов, а также сложная структура приемного устройства объекта навигации, являющегося, по сути, копией аппаратуры потребителя спутниковых систем.
Известен способ определения местоположения объекта навигации [4], заключающийся в излучении объектом разнесенных по частоте гармонических сигналов, их переизлучении ретрансляторами и обработке результатов фазометрии для определения координат объекта. Основу способа составляют наземные опорные пункты, на которых размещены ретрансляторы сигналов. Недостатками способа являются невысокая эффективность в условиях пересеченной местности, городской застройки и др., низкая мобильность при необходимости изменения границ локальной зоны, недостаточная помехоустойчивость.
1
2
1
2
1
2
1
2
1,2
ij
1,2
ij
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ [5], заключающийся в излучении объектом навигации (ОН) в течение заданного интервала времени Δt двух высокочастотных гармонических сигналов s(t), s(t), частоты которых ω, ωотличаются на величину , ретрансляции сигналов s(t), s(t) радионавигационными пунктами (РНП) (опорными РНП по терминологии способа-прототипа [5]), размещенными на квадрокоптерах (гексакоптерах), в точках с заданными координатами, и их приеме с помощью направленных антенн пунктом обработки (ПО) (центральным ПО по терминологии [5]) с известными координатами. На ПО из каждой пары сигналов s(t), s(t), принятых от РНП с различными номерами i, j=1, 2, …, методом биений формируют сигналы разностной частоты Δω (частоты биений). Перемножением этих сигналов, соответствующих i-му и j-му (i≠j) РНП, осуществляют попарное измерение разностей фаз Δϕ. Полученные разности фаз пропорциональны разностям дальностей между ОН и i-м и j-м радионавигационными пунктами. Названные операции выполняют повторно для новой частоты биений , на порядок большей частоты Δω. Для этого переходят к излучению второго гармонического сигнала  достаточной длительности на более высокой частоте , т.е. . Зафиксированные разности фаз Δϕ,  пересчитывают в координаты объекта с учетом взаимного расположения ОН и РНП.
1
2
1
1,2
1,2
Последовательное применение сигналов s(t), s(t) и s(t),  с фазовыми измерениями на двух частотах Δω, , по материалам описания прототипа [5], предназначено «для расширения пространства однозначного определения координат. Фазовые измерения осуществляют в два этапа. Оценку  на частоте  используют лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а окончательные результаты получают при анализе Δω».
1,2
Заметим, что используемые в способе-прототипе разностные частоты (частоты биений) Δω,  в теории и практике радиолокации и радионавигации принято называть масштабными частотами. Этой терминологии будем следовать в дальнейшем.
С
При фазовых измерениях дополнительно определяют среднюю мощность  составляющей шума смеси одного из входных радиосигналов от i-го или j-го РНП и вычитают ее из низкочастотной составляющей результирующего сигнала Р.Также на подготовительном этапе на борт каждого квадрокоптера устанавливают ретранслятор радиосигналов, модуль радиосвязи и видеокамеру для обзора нижней полусферы с фиксированной ориентацией относительно борта квадрокоптера. В процессе формирования локальной зоны навигации по командам ПО квадрокоптеры направляют в заданные топографически привязанные характерные точки местности, над которыми они зависают на требуемой высоте. Этим обеспечивается заданность координат РНП. По изображению с видеокамеры квадрокоптеры самостоятельно или по управляющим сигналам с ПО осуществляют постоянную коррекцию своего местоположения в пространстве.
Недостатками способа-прототипа являются:
ij
1. Низкая оперативность определения координат ОН вследствие неодновременного длительного измерения разностей фаз Δϕ, .
2. Необходимость проведения по этой же причине сложной процедуры коррекции скоростной ошибки при навигационном определении мобильных объектов. В отсутствие такой коррекции (что свойственно [5]) способ-прототип пригоден лишь для местоопределения неподвижных объектов.
1,2
3. Отсутствие математического обоснования практических аспектов реализации, а именно правила выбора необходимого числа масштабных частот, операции согласования многоканальных (на различных масштабных частотах) измерений, условия достижения заданной высокой точности. Решение о двух десятикратно различающихся масштабных частотах Δω,  принято в [5] произвольно без какой-либо аргументации.
1,2
1,2
В качестве курьезного недостатка можно указать на приведенное выше утверждение о предназначении высокой масштабной частоты Δω' для обеспечения однозначности измерений, а низкой Δω - для окончательной точности результатов. Очевидно, что справедливо обратное утверждение.
Цель заявляемого изобретения состоит в создании математически обоснованного способа, обеспечивающего оперативное, высокоточное определение местоположения объекта навигации.
1
2
1
2
1
2
ij
ij
ij
j
i
ij
1
2
n
ij
n
n
Т
Г
Т
Г
доп
n
n-1
Для достижения поставленной цели в способе определения местоположения объекта навигации, заключающемся в излучении объектом навигации двух высокочастотных сигналов s(t), s(t), содержащих гармонические колебания масштабных частот, ретрансляции сигналов s(t), s(t) радионавигационными пунктами, размещенными на мультикоптерах в точках с заданными координатами, приеме с помощью направленных антенн сигналов s(t), s(t) и измерении по ним на пункте обработки с известными координатами попарных разностей фаз Δϕ колебаний масштабных частот, где i, j=1,2,…,К, i≠j, i, j - номера радионавигационных пунктов, расчете по разностям фаз Δϕ разностей ΔR дальностей R, R между объектом навигации и радионавигационными пунктами, определении по разностям дальностей ΔR координат объекта навигации, излучаемые сигналы s(t), s(t) формируют путем фазовой модуляции высокочастотного гармонического сигнала s(t) суммой двух и более колебаний масштабных частот ω, n=1,2,…N, измерение разностей фаз Δϕ и расчет по ним относительных разностей дальностей , где λ - длина волны колебания n-й масштабной частоты, одновременно выполняют отдельно по каждой масштабной частоте ω, число масштабных частот N определяют, используя значения отношения ω/ω точной масштабной частоты ω к грубой масштабной частоте ω и максимально допустимого отношения m=ω/ω двух смежных масштабных частот, согласование значений относительных разностей выполняют по формуле:
Г
jimax
Т
ij
где  - согласованное значение j, i-й разности при переходе от (n-1)-й к n-й масштабной частоте;  - наибольшее целое число, не превышающее алгебраическую сумму , с последующим переходом к итоговому значению , при этом значение грубой масштабной частоты ωвыбирают из условия однозначности расчета максимально возможной разности дальностей ΔR, значение точной масштабной частоты ωвыбирают из условия заданной точности расчета разностей дальностей ΔR. (Заметим, что заглавная буква Z означает математический символ принадлежности к набору целых чисел).
Технический результат состоит в повышении оперативности и точности определения местоположения объекта навигации.
Сущность заявляемого способа и последовательность операций, необходимых для его осуществления, заключаются в следующем.
На борт объекта навигации устанавливают передающее устройство, выполняющее формирование и излучение с помощью ненаправленной (слабонаправленной) антенны высокочастотного гармонического радиосигнала с фазовой модуляцией (ФМ-сигнала), описываемого выражением:
0
0
где А, ω, ϕ - амплитуда, несущая частота и начальная фаза; ϕ(t) - модуляционная составляющая фазы сигнала.
Для ФМ-сигнала s(t) справедлива эквивалентная форма представления в виде суммы
1
2
двух гармонических составляющих s(t), s(t), смещенных друг относительно друга по фазе на 90° и одновременно излучаемых бортовым передатчиком.
Модуляцию выполняют суммой гармонических колебаний масштабных частот, результатом чего является ФМ-сигнал вида:
д
n
n
где Δϕ - девиация фазы; ω - масштабные частоты; ϕ - начальные фазы колебаний масштабных частот; N - число масштабных частот, N≥2; ψ(t) - полная фаза излучаемого сигнала.
Бортовые ретрансляционные устройства, размещаемые на РНП (мультикоптерах), осуществляют прием и переизлучение сигнала, излучаемого ОН.
Фазы сигналов, принимаемых радионавигационными пунктами, равны (здесь и далее изложение ведется в терминах фаз):
i
где R - дальность между ОН и i-м РНП; с - скорость радиоволн в атмосфере;
i - порядковый номер РНП; К - число РНП.
Фазы сигналов, излучаемых РНП, имеют вид;
0,i
n,i
где ϕ, ϕ - фазовые сдвиги на несущей и масштабных частотах в ретрансляторах РНП.
Фаза сигнала, поступающего от i-го РНП на вход i-го канала многоканального (по числу РНП) радиоприемного устройства пункта обработки с многолучевой направленной антенной, равна:
ПО
ПО
по
i
i
j
где  - дальность между ПО и РНП, рассчитываемая заранее по известным координатам х,у, z пункта обработки и x, у, z РНП.
Принятый i-м каналом ФМ-сигнал с текущей фазой  подается на фазовый демодулятор, выходной сигнал которого пропорционален модуляционной составляющей:
1
n
N
Этот сигнал поступает на линейку фильтров масштабных частот ω,…, ω,…, ω.
На выходе линейки формируется набор из N гармонических колебаний, фазы которых равны:
Аналогично для j-го радиоприемного канала ПО.
Завершающей операцией, выполняемой радиоприемным устройством ПО, является формирование сигналов, пропорциональных разностям фаз колебаний «одноименных» (с одинаковыми номерами n) масштабных частот для различных сочетаний пар радионавигационных пунктов (различных пар порядковых номеров i, j=1, 2,…,К, i≠j):
.
Эта операция реализуется фазовыми детекторами (фазометрами), на измерительный вход каждого из которых подается колебание n-й масштабной частоты, соответствующее i-му РНП, а на опорный вход - колебание «одноименной» масштабной частоты, соответствующее j-му РНП.
ij
j
i
ОН
ОН
OH
ij
21
31
41
При заданном числе масштабных частот N количество фазовых детекторов определяется числом разностей дальностей ΔR=R-R, необходимых для определения координат х, у, z объекта навигации (см. дальнейшую обработку измерений в вычислительном устройстве ПО). При использовании конечного разностно-дальномерного метода местоопределения объекта [6] (именно он положен в основу рассматриваемого способа) минимально необходимое число разностей дальностей ΔR равно трем: ΔR, ΔR, ΔR, что требует применения четырех РНП (К=4). Тогда, при числе масштабных частот, например, равном четырем (N=4) требуемое количество фазовых детекторов равно двенадцати. Изготовление подобной сборки фазовых детекторов по современным микроэлектронным технологиям не представляет сложности.
n,ij
Операция заканчивается оцифровкой измеренных разностей фаз ΔФи выдачей цифровых значений в вычислительное устройство ПО для дальнейшей обработки.
n,ij
Для удобства вычислений целесообразно перейти к нормированным разностям фаз ΔФ/2π, представляющим собой относительные значения разностей дальностей:
n,i
n,j
n
n
n
n
где  - цифровой эквивалент разности фазовых сдвигов (ϕ-ϕ) n-й масштабной частоты в i-м и j-м ретрансляторах. Здесь учтено, что ω=2πf, λ=c/f.
n,j
n,j
Ранее отмечалось, что дальности , , а следовательно, разности  могут рассчитываться заранее. Поэтому неинформативное второе слагаемое в  перед дальнейшими вычислениями компенсируется. Аналогично поступают с третьим слагаемым , т.к. фазовые сдвиги ϕ, ϕ предварительно определяются калибровкой ретрансляторов. При
n,i
n,j
идентичном исполнении ретрансляторов (ϕ=ϕ) компенсация происходит автоматически.
1
n
N
Дальнейшая обработка состоит в согласовании результатов многошкальных (полученных на различных частотах ω,…, ω,…, ω) измерений
1
Г
jimax
Первая грубая шкала (низкая масштабная частота ω=ω) выбирается из условия однозначности измерения разности дальностей  соответствующей максимально возможной (по модулю) разности дальностей ±ΔR:
N
Т
ji
Точная шкала (высокая масштабная частота ω=ω) выбирается из условия обеспечения заданной среднеквадратической погрешности  (заданной точности) определения разностей дальностей ΔR:
Δϕ
где σ - среднеквадратическая погрешность фазометра.
2
N-1
Промежуточные шкалы (масштабные частоты ω,…, ω) выбираются из условия обеспечения максимально допустимого отношения двух смежных масштабных частот:
Δϕ
(Считается, что фазометры радиоприемных каналов ПО на всех масштабных частотах имеют одинаковую погрешность σ).
Т
Г
доп
Общее число масштабных частот N равно наименьшему целому числу, не меньшему суммы 1+log(ω / ω) / logm (округление «вверх»).Согласование шкал пошагово выполняется по соотношениям (для сокращения записи индексы i,j опущены):
Здесь  - согласованное значение разности дальностей при переходе от (n-1)-ой к n-ой шкале;  - наибольшее целое число, не превышающее алгебраическую сумму  (округление «вниз»).
Результатом является итоговое значение разности дальностей:
ij
ОН
ОН
OH
Совокупность итоговых значений ΔR используется далее для определения координат объекта навигации. Так, например, при числе РНП К=4 координаты х, у, z находятся в результате решения системы уравнений:
j=2, 3, 4.
Проиллюстрируем применение соотношений (1)-(3) числовым примером.
jimax
Следуя способу-прототипу [5], полагаем, что четыре РНП находятся в вершинах квадрата размером 10×10 км. В этом случае максимально возможная разность дальностей ΔR, соответствующая предельной (исключительной)
Г
Г
Г
ситуации нахождения ОН в одной плоскости и на одной прямой с 1-м и 3-м РНП (или 2-м и 4-м), округленно равна 14 км. Тогда в соответствии с (1) длина волны λ грубой однозначной шкалы должна быть не меньше 28 км. Для гарантии однозначности примем λ=30 км, что соответствует частоте f=10 кГц.
Δϕ
Т
T
доп
Δϕ
T
T
доп
В прецизионных фазовых разностно-дальномерных системах радионавигации типовым требованиям по точности измерений соответствуют среднеквадратические погрешности  и σ=1° (0,0175рад). Тогда в соответствии с (2) длина волны точной шкалы должна быть равна λ=3,6 м, что соответствует f=83,3МГц. При этом допустимое отношение смежных масштабных частот согласно (3) равно m=360. В результате получим, что необходимое число масштабных частот N=3. При использовании более грубого фазометра с σ=3° (0,0525 рад) требуемая длина волны λ=1,2 м, f=250 МГц, допустимое число m=120, а необходимое число N=4.
Приведенные соображения и соотношения справедливы для случая частотной модуляции высокочастотного гармонического радиосигнала.
Важно отметить, что все меры, предусмотренные подготовительным этапом способа-прототипа, а также алгоритм вычитания шумов, обеспечивающий повышение отношения сигнал/шум при измерении разностей фаз ретранслированных сигналов, для заявляемого изобретения остаются в силе.
Существенные отличительные признаки заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
ij
1. Излучаемые объектом навигации сигналы формируют путем фазовой модуляции высокочастотного гармонического сигнала суммой колебаний масштабных частот. Этим обеспечивается одновременное измерение разностей фаз Δϕ в приемном устройстве ПО по каждой масштабной частоте для всех РНП и, как результат, оперативная цифровая обработка данных в
вычислительном устройстве ПО и определение координат ОН в масштабе времени, близком к реальному.
В прототипе измерение разностей фаз на частотах биений (масштабных частотах) последовательно излучаемых пар высокочастотных колебаний занимает продолжительное время, что приводит к низкой оперативности определения местоположения объекта.
ij
2. По измеренным разностям фаз Δϕ рассчитывают относительные разности дальностей , с использованием которых по соотношениям (4) выполняют согласование результатов многошкальных измерений. Результатом являются итоговые разности дальностей , по значениям которых определяют координаты ОН.
В прототипе такие операции расчета и согласования не предусмотрены.
n
Г
Т
jimax
3. Математический аппарат, представленный последовательностью несложных вычислительных операций (1)-(4), обеспечивает выбор необходимого числа N масштабных частот ω, значений грубой ω и точной ω масштабных частот. Значения частот соответственно выбирают из условий однозначности расчета максимально возможной разности дальностей ΔR и заданной точности расчета этих разностей. Применение математического аппарата позволяет обосновать конкретные параметры реализации заявляемого способа в реальных условиях практического использования.
В прототипе математический аппарат расчета отсутствует. Открытым остается вопрос о необходимом количестве и значениях масштабных частот, мерах достижения требуемой точности.
Для реализации заявляемого способа в качестве носителя РНП может использоваться применяемый в прототипе гексакоптер производства ООО «Специальный Технологический Центр» с предназначенными для внешней установки на нем роботизированной скоростной купольной камеры «Speed Dome Ultra», электронного стабилизатора изображения EIS, средства дистанционного и самостоятельно управления коррекцией местоположения РНП. Другим вариантом реализации является один из образцов широко представленной на рынке линейки квадрокоптеров производства компании
DJI, оснащенных штатными видеокамерой высокого разрешения с системой стабилизации видеокамеры в надирном положении и бортовыми средствами выведения и удержания квадрокоптера в заданной точке пространства.
Основной задачей при реализации способа является практическое исполнение новых ключевых компонентов, отсутствующих в прототипе:
- генератора, управляемого напряжением (ГУН), и фазового модулятора в составе передающего устройства ОН;
- широкополосного усилителя и фазового демодулятора в составе радиоприемного устройств ПО.
0
T
Очевидно, что названные компоненты должны быть совместимы по диапазону несущих частот и полосе пропускания. По доступности и характеристикам элементной базы, а также, исходя из принципа унификации технических решений, целесообразно для несущей частоты f выбрать значения, близкие к поддиапазону 1,8-1,9 ГГц, применяемому к системам сотовой связи. Требуемую полосу пропускания примем равной 200 МГц, что соответствует удвоенной (округленной с запасом до 100 МГц) точной масштабной частоте f=83,ЗМГц, рассчитанной ранее. В этих условиях в качестве ГУН могут использоваться микросхемы моделей POS-2120W, ROS-2150VW [7], в качестве фазового модулятора-квадратурные модуляторы моделей RF2422, RF2850, LT5572 или векторный модулятор AD8341 [8]. Соответственно, широкополосной усилитель может строиться на основе малошумящей микросхемы ZHL-1724MLN, фазовый демодулятор - на основе серий микросхем MIQA, MIQC, ZFMIQ, JCIQ [7]. Названные элементы также являются основой построения ретранслятора РНП.
Отдельно следует рассмотреть возможность практической реализации направленных антенн пункта обработки, вскользь упомянутых в прототипе. Именно направленная антенная система, решающая задачу пространственной селекции РНП и раздельного приема ретранслируемых сигналов, определяет работоспособность способа-прототипа и заявляемого способа. Данная многолучевая антенная система может строиться в виде набора однолучевых антенн [9]. Подобное решение широко применяется в системах сотовой связи.
При наличии на ПО необходимого места размещение такой антенной системы обеспечит покрытие заданных направлений на РНП за счет формы, ширины и ориентации лучей.
Таким образом, заявляемое изобретение может быть реализовано и обеспечивает повышение оперативности и точности определения местоположения объекта навигации.
Источники информации
1. Патент RU 2602833.
2. Патент RU 2606240.
3. Патент RU 2746218.
4. Патент RU 2604871.
5. Патент RU 2676862.
6. Сетевые спутниковые радионавигационные системы/
B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.: Под ред. B.C. Шабшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1993. - 408 с.
7. Элементная база электроники. MINICIRUITS - надежный поставщик микроволновых компонентов. Л. Белов. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 6/2005. - Режим доступа: https://www.electronics.ru/journal/article/936.
8. Модуляторы сигналов сверхвысоких частот. Основные классы. Элементная база электроники. Л. Белов, А. Голубков, А. Кондрашов, А. Карутин. Электроника: Наука, Технология, Бизнес.3/2008. - Режим доступа: https://www.electronics.ru/journal/article/378.
9. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи. A.В. Шишлов, Б.А. Левитин, С.А. Топчиев, В.Р. Анпилов, B.В. Денисенко. Журнал радиоэлектроники [электронный ресурс]. 2018. №7. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jul18/6/text.pdf.