ДАЛЬНОМЕРНЫЙ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
RANGING METHOD AND DEVICE TO DETERMINE COORDINATES OF RADIATION SOURCE

Область техники, к которой относится изобретение:
Изобретение относится к области определения местоположения путем сопоставления в одной системе координат трех и более найденных расстояний (G01S 19/00) с использованием радиоволн (G01S 005/02) и может быть использовано для обеспечения решения навигационных задач в системах управления воздушным движением, морских навигационных системах, службе спасения кораблей, судов, самолетов и других летательных аппаратов, терпящих бедствие. Уровень техники:
Существующие дальномерные способы определения местоположения объектов радиоизлучения основаны на измерении фазовой или временной задержки волнового фронта при распространении его от объекта излучения до каждого из пассивных приемников [1]. Такие измерения могут быть произведены только путем использования активного запроса на излучение от источника при наличии строгой временной или фазовой синхронизации между пунктами приема, что является ограничением на их использование.
Другим аналогом изобретения является разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство [2]:
Изобретение относится к определению координат источника радиоизлучения (ИРИ) в пространстве. Сущность изобретения: в качестве поверхностей положения ИРИ используются плоскости, содержащие линию положения ИРИ, представляющую собой пересечение двух гиперболических поверхностей положения, соответствующих разностно-временным измерениям. Способ основан на приеме сигнала ИРИ четырьмя антеннами, измерении трех разностей времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими измерительные базы, последующей обработке результатов измерений с целью вычисления значений параметров положения ИРИ и вычислении координаты ИРИ как точки пересечения трех плоскостей положения. Предложенное устройство содержит четыре антенны, образующие три пары измерительных баз, расположенных в несовпадающих плоскостях, три вычислителя параметров положения ИРИ, вычислитель координат ИРИ в виде блока решения системы линейных уравнений и блок индикации. Достигаемым техническим результатом является обеспечение однозначного определения линейных координат объекта. Недостатки этого способа и устройства так же заключаются в необходимости строгой взаимной временной синхронизации пунктов приема вследствие необходимости измерения разности времен прихода сигнала на каждый из приемных пунктов.
a
b
c
Третий аналог - дальномерный способ определения местоположения радиостанции по разности прихода радиосигнала во времени в пункты приема [3]. Изобретение относится к области техники пеленгования и может быть использовано в службе спасения кораблей, судов, самолетов и других летательных аппаратов, терпящих бедствие. Цель изобретения - повышение точности определения местоположения работающей радиостанции. Поставленная цель достигается тем, что по крайней мере в трех пунктах приема, расположенных на одной прямой, измеряются моменты времени прихода радиосигнала работающей радиостанции t, t и t. Затем определяется время запаздывания прихода радиосигнала в два других пункта приема относительно третьего. По времени запаздывания прихода радиосигнала в пункты приема рассчитываются расстояния, пройденные радиосигналом, по формуле
i
i
R=cΔt,
i
где с - скорость света, Δt - время запаздывания прихода радиосигнала в пункт приема. После этого рассчитываются расстояния от пунктов приема до точки местоположения радиостанции по формулам, приведенным в тексте описания изобретения. Такой способ также не позволяет производить измерение местоположения при отсутствии временной синхронизации между приемными пунктами.
1
2
3
1
2
3
Прототипом изобретения является способ определения местоположения летательных аппаратов и система, его реализующая, описанные в [4]. На Земле располагаются три импульсные радиолокационные станции, координаты которых точно известны, а самолеты снабжаются радиоответчиками. Измеряют три времени распространения τ, τ, и τ сигналов между наземными станциями и самолетом и соответствующие расстояния R, R и R. На центральном пункте обработки (ЦПО) определяют координаты самолетов в прямоугольной декартовой системе координат (фиг.1). Система уравнений, связывающая декартовы координаты источника радиоизлучения и измеренные расстояния в рассматриваемом случае будет иметь следующий вид:
;
;
а
Принято следующее расположение пунктов системы: точки 1, 2, 3 - в вершинах равностороннего треугольника со стороной, равной d, точки 1 и 2 - на оси Х симметрично относительно начала, точка 3 - на оси Y на расстоянии  от начала координат
. Угловое положение объектов наблюдения определяется азимутом α и углом места β. Этот способ требует организации радиоканала «запрос-ответ» и обеспечения взаимной временной синхронизации пунктов приема.
Сущность изобретения:
Цель изобретения заключается в обеспечении определения координат местоположения источника радиоизлучения известной интенсивности в пассивном режиме в условиях отсутствия взаимной временной синхронизации пунктов приема.
Поставленная цель достигается тем, что предлагается дальномерный способ определения координат местоположения источника радиоизлучения по данным измерений в не менее трех взаимно удаленных друг от друга пунктах приема радиосигналов, заключающийся в том, что в пунктах приема производят определение расстояний от источника радиоизлучения до каждого из пунктов приема и по полученным расстояниям вычисляют координаты местоположения источника радиоизлучения, при этом в пунктах приема определяют интенсивность источника сигнала, а затем по величине интенсивностей сигналов вычисляют расстояние от источника радиоизлучения до каждого из пунктов приема по величине затухания сигнала на трассе распространения от источника радиоизлучения до точки приема.
Измерение расстояния по величине интенсивности сигнала является существенным признаком, поскольку это измерение не требует взаимной временной синхронизации пунктов приема и может быть осуществлено в пассивном режиме работы приемных пунктов.
Поставленной цели отвечает устройство определения декартовых координат источника радиоизлучения (фиг.1), которое включает три пространственно разнесенных ненаправленных антенны типа полуволновый вибратор 1, 2 и 3; три радиоприемника 4, 5 и 6; три аналого-цифровых преобразователя 7, 8 и 9; три измерителя энергии сигнала 10, 11 и 12; три вычислителя дальности 13, 14 и 15 и вычислитель координат источника радиоизлучения 19. При этом антенна 1, радиоприемник 4, аналого-цифровой преобразователь 7, вычислитель энергии сигнала 10 и вычислитель дальности 13 включены последовательно и образуют первое приемное устройство 16; антенна 2, радиоприемник 5, аналого-цифровой преобразователь 8, вычислитель энергии сигнала 11 и вычислитель дальности 14 включены последовательно и образуют второе приемное устройство 17; антенна 3, радиоприемник 6, аналого-цифровой преобразователь 9, вычислитель энергии сигнала 12 и вычислитель дальности 15 включены последовательно и образуют третье приемное устройство 18. Первое, второе и третье приемные устройства расположены в пространстве таким образом, что образуют вершины равностороннего треугольника со стороной равной базе размещения d (фьг.2). Выходы первого, второго и третьего приемных устройств подключены к соответствующим входам вычислителя декартовых координат источника радиоизлучения 19.
Устройств работает следующим образом: сигналы от источника радиоизлучения, принимаемые каждой из антенн 1, 2 и 3 последовательно усиливаются в соответствующих приемниках 4, 5 и 6; преобразуются в цифровую форму в аналого-цифровых преобразователях 7, 8 и 9. Полученные цифровые последовательности подаются на соответствующие вычислители энергии сигнала 10, 11 и 12, представляющие собой цифровые согласованные фильтры. Цифровые последовательности с выхода вычислителей энергии сигнала 10, 11 и 12 подаются на соответствующие вычислители дальности 13, 14 и 15, определяющих расстояния от источника радиоизлучения до соответствующего радиоприемного устройства путем вычисления соотношения
IZ
АПРМ
PRMi
0ПРД
где E - известное значение энергии сигнала источника радиоизлучения, S - эффективная площадь антенны радиоприемника, E - энергия сигнала принятого i-м радиоприемником, соответствующая максимуму отклика цифрового согласованного фильтра, G - коэффициент усиления антенны источника радиоизлучения.
1
2
3
Полученные цифровые значения расстояний от источника радиоизлучения до первого R, второго R и третьего R приемных устройств 16, 17 и 18 подаются на вычислитель декартовых координат источника радиоизлучения 19, вычисляющий положение источника сигнала по результатам этих измерений по формулам
Соотношения (1) и (2) показывают, что для определения местоположения источника радиоизлучения известной интенсивности необходимо знать коэффициент усиления антенны источника радиоизлучения; эффективную площадь антенны каждого радиоприемного устройства и энергии сигнала принятые каждым из приемных устройств. Это в свою очередь означает, что введенная совокупность отличительных признаков является существенной, т.е. устройство отвечает требованиям цели изобретения, заключающейся в том, что для определения местоположения источника радиоизлучения в пассивном режиме не нужна взаимная временная синхронизация радиоприемных устройств.
Введенные в дальномерный способ определения координат местоположения источника радиоизлучения по данным измерений в не менее трех взаимно удаленных друг от друга пунктах приема радиосигналов процессы определения интенсивности источника сигнала и вычисления расстояние от источника радиоизлучения до каждого из пунктов приема по величине этих интенсивностей сигналов не использовались ни в одном из известных дальномерных способов определения местоположения объектов. Такая совокупность отличительных признаков отсутствует и в аналогах и в прототипе, что доказывает соответствие предложенного способа критерию «новизна».
В свою очередь введенные в устройство определения декартовых координат источника радиоизлучения три измерителя энергии сигнала 10, 11 и 12; три вычислителя дальности 13, 14 и 15 так же отсутствуют и в аналогах и в прототипе, что доказывает соответствие предложенного устройства критерию «новизна».
Таким образом при анализе уровня техники не выявлены объекты, имеющие такую же совокупность признаков, как и заявляемое изобретение, а следовательно оно является новым.
Изобретательский уровень предложенного способа и устройства подтверждается тем обстоятельством, что в результате поиска не выявлены способы и устройства, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения. Все прослеживаемые направления совершенствования дальномерных систем, отраженные в научно-технической литературе, связаны с использованием фазовой или временной информации о принимаемых измерительных сигналах. Это означает, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, а значит, имеет изобретательский уровень.
Перечень фигур и чертежей
На фиг.1 представлена структурная схема устройства определения декартовых координат источника радиоизлучения, где цифрами обозначены: 1, 2 и 3 - три пространственно разнесенных ненаправленных антенны типа полуволновый вибратор; 4, 5 и 6 - три радиоприемника; 7, 8 и 9 - три аналого-цифровых преобразователя; 10, 11 и 12 - три вычислителя энергии сигнала; 13, 14 и 15 - три вычислителя дальности; 16, 17 и 18 - первое, второе и третье приемные устройства соответственно и 19 - вычислитель координат источника радиоизлучения.
На фиг.2 представлен чертеж расположения в пространстве первого (1), второго (2) и третьего (3) приемных устройств. Там же точкой М обозначен объект радиоизлучения, координаты которого необходимо определить.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Промышленная применимость изобретения определяется возможностью реализации его узлов и блоков на современном уровне техники. Рассмотрим возможность технической реализации на примере построения аэродромной системы определения местоположения воздушных судов по данным автоматических зависимых наблюдений в режиме радиовещания ADS-B. Оборудованное системой ADS-B воздушное судно передает каждую секунду по радиоканалу свои характеристики в течение всего пути. При этом точно известны частота, мощность излучения передатчиков и характеристики антенн, расположенных на борту воздушного судна.
Для примера реализации первого, второго и третьего приемных устройств можно использовать:
1. Ненаправленные антенны типа полуволновый вибратор 1, 2 и 3 - российская антенна компании Радиал (10 dBi). Описание: http://adsbradar.ru/content/radial-1065-1134-mhz-antenna-vertikalnava-a10-1090
2. Радиоприемники 4, 5 и 6 - включают в себя предусилители сигнала, вданном случае это могут быть малошумящие усилители на 1090 МГц компании Kuhne electronic KU LNA 1090 (30 dB). Описание: http://adsbradar.ru/KU-LNA-1090-A-TM-Super-Low-Noise-Amplifier-for-Avionics. Собственно усилители радиосигнала и преобразователи частоты строятся под динамический диапазон АЦП и не вызывают технических трудностей.
3. Рынок аналого-цифровых преобразователей (7, 8 и 9) для рассматриваемого применения достаточно насыщен.
4. Цифровая реализация вычислителей энергии сигнала (10, 11 и 12), вычислителей дальности (13, 14 и 15) и вычислителя координат источника радиоизлучения (19) может быть обеспечена микропроцессорными средствами в соответствии с алгоритмами, приведенными в описании изобретения.
Таким образом, заявляемое изобретение является промышленно применимым. Может использоваться во всех отраслях промышленности, где требуется определение местоположения источников радиоизлучения в пространстве, как то морская наземная и воздушная радионавигация, топография, геологоразведка и т.п.Оно обладает преимуществами перед известными, связанными с отсутствием необходимости временной синхронизации пунктов приема, что обуславливает его технико-экономическую эффективность.
Литература.
1. B.C. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков «Многопозиционные радиотехнические системы» М.: Радио и Связь, 1986, с.220-228.
2. Патент №2309420 RU, Заявка №2006103054/09, 02.02.2006, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского (RU), Опубл. 27.10.2007.
3. Патент №2096800 RU, Рег. номер заявки: 93051121 Основные коды МПК: G01S 005/02 Роговой В.Ф.
4. Радиолокационные средства для систем ПВО 80-х годов. - Радиоэлектроника за рубежом, 1978, №2.