СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ НАЗЕМНЫХ РАДИОМАЯКОВ
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING RADIO SIGNALS FROM GROUND-BASED RADIO BEACONS

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к способам передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, 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 радиотехнических комплексах систем навигации и посадки летательных аппаратов (ЛА). Способ может быть применен при испытаниях на полигонах ЛА в качестве метода, обеспечивающего выбор оптимальных измерительных систем и их рационального размещения на испытательной трассе, формировании автоматизированного комплекса обработки принятых радиосигналов и разработке алгоритмического и программного обеспечения оценки характеристик испытываемых объектов.
Для решения этих задач в первую очередь необходимо точное измерение пространственных координат объекта. Реализация способа позволит, кроме того, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.
Известны способы передачи и приема радиосигналов, используемые, в том числе, в системах измерения 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; 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.]. Известные способы имеют те или иные недостатки, например, необходимость механического перемещения антенной системы, 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 принят способ передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, фазовые центры передающих антенн которых находятся в заданных 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, при котором передают радиосигналы и на приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов [Радиотехнические системы / Ю.М.Казаринов и др. Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, гл.10, с.437-443, 449-454].
Преимуществом заявляемого способа передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами. Это достигается тем, что с четырех радиомаячных пунктов с одной передающей антенной в каждом передают синхронизированно группу из четырех радиосигналов, допускающих совмещенный во времени множественный доступ, одновременно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта. На объекте при приеме радиосигналов осуществляют совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых в группе и не отраженных от поверхности земли радиосигналов, синхронизированно регистрируют моменты времен приема на объекте всех указанных радиосигналов и измеряют разности между временами приемов радиосигналов. При этом фазовые центры антенн расположены определенным образом. Пространственные координаты определяют по простым выражениям, зависящим от средних значений многократно измеренных разностей между временами приемов соответствующих радиосигналов. Способ существенно облегчает исключение систематической погрешности. Он позволяет уменьшить влияние на точность определения координат случайных погрешностей путем повторения измерений указанных разностей N раз, т.к. среднеквадратическая ошибка среднего значения в  раз меньше среднеквадратической ошибки отдельного измерения.
1
1
2
2
3
3
4
4
1
2n
1
s
s
i,1
i,1
0
0
0
Для достижения указанного технического результата в способе передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков, фазовые центры передающих антенн которых находятся в заданных 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, передают радиосигналы и на приемнике объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов, в соответствии с настоящим изобретением с четырех радиомаячных пунктов, упорядоченных заданным образом, с одной передающей антенной в каждом, с фазовыми центрами антенн, расположенными на одинаковой заданной высоте z=h c координатами на плоскости (0, x, y), равными x=0, y=b; х=а, y=0; х=0, y=-b, х=-а, y=0, где h, a, b>0, с нумерацией индексов для антенн, соответствующей нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3 и 4, передают синхронизированно группу из четырех радиосигналов, допускающих совмещенный во времени множественный доступ, с индексами, соответствующими индексам антенн, с длительностями, не превышающими Δτ, одновременно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта с задержкой между группами Δτ, необязательно одинаковой от группы к группе, где n - номер группы, изменяющийся от 1 до N, превышающей максимальное из значений Δτ и (а+b)/v, где v - скорость распространения радиосигнала, а на объекте, в том числе подвижном, при приеме радиосигналов осуществляют совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых в группе и не отраженных от поверхности земли радиосигналов, синхронизированно регистрируют моменты времен приема на объекте всех указанных радиосигналов, измеряют разности Δt между временами приемов i-х радиосигналов и первого радиосигнала, где индекс i может принимать одно из значений 2,3,4, указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз, в процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δτ с ранее суммированными и после N-го измерения определяют средние значения  как результаты деления соответствующих накопленных сумм на заданное число N, причем N задают из условия, что , где V - скорость перемещения объекта, Δs - заданный характерный масштаб, определяющий, в том числе, разрешающую способность определения пространственных координат объекта, и определяют преимущественно пространственные координаты объекта (х,у,z) в соответствии с выражениями , , где l=1 для объектов, находящихся выше фазовых центров передающих антенн, и l=-1 в противном случае; , и индекс i может принимать значения 2,3,4, а при необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.
2n
2n
Также при передаче с радиомаячных пунктов групп радиосигналов одновременно передают информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между группами Δτ, а при приеме радиосигналов на объекте измеряют Δτ и в соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о способах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать заявляемый способ новым и имеющим изобретательский уровень. Ниже изобретение описано более детально.
Сущность способа заключается в следующем.
Радиосигналы наземных радиомаяков 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 объекта измеряют разности времен приходов принятых радиосигналов.
1
1
1
2
2
3
3
4
4
2n
1
s
s
Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности систем определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, достигается за счет того, что с четырех радиомаячных пунктов, упорядоченных заданным образом, с одной передающей антенной в каждом, передают синхронизированно группу из четырех радиосигналов, допускающих совмещенный во времени множественный доступ, одновременно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта с длительностями, не превышающими Δτ. Нумерация индексов для антенн соответствует нумерации радиомаячных пунктов 1, 2, 3 и 4. Фазовые центры антенн расположены на одинаковой заданной высоте z=h с координатами на плоскости (0, x y), равными х=0, y=b; x=а, y=0; x=0, y=-b, x=-а, y=0, где h, a, b>0. Между группами должна быть задержка Δτ, необязательно одинаковая от группы к группе, где n - номер группы, изменяющийся от 1 до N, превышающая максимальное из значений Δτ и (a+b)/ν, где ν - скорость распространения радиосигнала.
i,1
На объекте, в том числе подвижном, при приеме радиосигналов осуществляют совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых в группе и не отраженных от поверхности земли радиосигналов. На объекте синхронизированно регистрируют моменты времен приема всех указанных радиосигналов и измеряют разности Δt между временами приемов i-х радиосигналов и первого радиосигнала. Индекс i может принимать одно из значений 2, 3, 4.
i,1
Указанные измерения повторяют последовательно еще N-1 раз. В процессе измерений при каждом повторении измерений для каждого i производят суммирование соответствующих измеренных разностей времен Δt с ранее суммированными. После N-го измерения определяют средние значения  как результаты деления соответствующих накопленных сумм на заданное число N. При этом N задают из условия, что , где V - скорость перемещения объекта, Δs - заданный характерный масштаб, определяющий, в том числе, разрешающую способность определения пространственных координат объекта.
0
0
0
Пространственные координаты объекта (x,у,z) определяют в соответствии с выражениями , , где 1=1 для объектов, находящихся выше фазовых центров передающих антенн, и l=-1 в противном случае; , и индекс i может принимать значения 2, 3, 4 (l=1, например, для ЛА, l=-1, например, для объектов, движущихся по земле). При необходимости определяют и другие характеристики объекта, функционально связанные с его координатами, и полученную информацию передают потребителю.
2n
2n
Также при передаче с радиомаячных пунктов групп радиосигналов можно одновременно передавать информацию, изменяя соответствующим ей образом времена задержки между группами Δτ. В этом случае при приеме радиосигналов на объекте измеряют Δτ и в соответствии с ними восстанавливают информацию и передают ее потребителю.
Развитие используемой для реализации способа технологической базы, в том числе связанной с синхронизацией, измерением абсолютного времени с высокой точностью, которая уже сейчас достигает наносекунд и выше (контролируют временное положение с точностью лучше 10 пикосекунд [Р.Нестеров. wsyachina.com/technology/extra_short_impulse.html, обращение 13.05.2010]), предполагает, что данный способ имеет хорошие перспективы по дальнейшему увеличению точности определения пространственных координат объекта. Способ обладает достаточным быстродействием определения координат и параметров подвижного объекта при сохранении заданной точности. Он легко реализуется в вычислительных процессорах вследствие использования простых выражений для определения пространственных координат.
Проиллюстрируем возможности заявляемого способа на примерах математического моделирования определения пространственных координат с заданными среднеквадратическими ошибками σ определения параметра dt (дальности от фазового центра антенны первого радиомаячного пункта до фазового центра антенны объекта).
i,1
Зададим для всех примеров одинаковые среднеквадратические ошибки отдельных измерений d=3 см, высоты фазовых центров антенн h=1 м, z=0.03 км, а=500 м, b=500 м и N=1000. На фигурах затемнены пространственные зоны, в которых σ превышает заданные указанные ошибки на границах зон. На фиг.1 представлены результаты моделирования для σ=1 м, на фиг.2 - для σ=10 м, на фиг.3 - для σ=100 м, на фиг.4 - для σ=250 м.
Перечислим основные достоинства способа:
- используются четыре радиомаячных пунктов с одной передающей антенной в каждом, которые передают синхронизированно группу из четырех радиосигналов, допускающих совмещенный во времени множественный доступ, одновременно по одному радиосигналу с антенн каждого радиомаячного пункта, а на объекте при приеме радиосигналов осуществляют совмещенный во времени множественный доступ с упорядоченным выделением передаваемых в группе и не отраженных от поверхности земли радиосигналов, при этом фазовые центры антенн расположены на одинаковой высоте h,
- определение координат производится по простым выражениям и легко реализуется в вычислительных процессорах,
- затрачивается относительно мало времени на выполнение измерений,
- эффективнее использует ресурс связи.
Результативность и эффективность использования заявляемого способа передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических комплексов определения координат объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет определять их простыми по сравнению с известными методами.
Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа 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 заявленного способа условию «новизны».
Результаты поиска известных решений передачи и приема радиосигналов наземных радиомаяков для определения пространственных координат объекта, в том числе имеющих отношение к радиопеленгации, радионавигации, радиоуправлению и связи, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, 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».