СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ
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 обращенный разностно-дальномерный способ определения координат [Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. радио, 1979, с. 10-11, с. 97-100].
Способ заключается в одновременном излучении объектом навигации и передатчиком, установленным в неподвижной точке с известными координатами, непрерывных гармонических высокочастотных сигналов и одновременном приеме указанных гармонических сигналов в нескольких опорных радионавигационных точках и формировании там из принятых сигналов сигналов разностной частоты.
Такие действия, как излучение высокочастотных гармонических сигналов объектом навигации и прием излучаемых гармонических высокочастотных сигналов в опорных радионавигационных точках с известными координатами, формирование там сигналов разностной частоты из принятых высокочастотных сигналов, являются существенными признаками и заявляемого способа.
Причинами, препятствующими достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются следующие.
Первой причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость непрерывного излучения сигнала неподвижным передатчиком. Это ухудшает условия электромагнитной совместимости оборудования. Возникает необходимость одновременного приема и передачи двух сигналов с близкими частотами, что ухудшает условия обеспечения информационной безопасности оборудования и облегчает возможность подавления его работы. Указанные обстоятельства снижают помехозащищенность устройств, реализующих способ.
Второй причиной, препятствующей достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с некоторой погрешностью, что в конечном итоге приводит к снижению точности измерения координат объекта навигации.
Третьей причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются небольшие размеры области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации с высокой точностью. Размеры этой области пространства в способе-прототипе ограничены зоной, в которой расстояния между объектом навигации и каждой из опорных радионавигационных точек должны разниться между собой не более чем на половину длины волны сигнала частоты, равной разности частот СВЧ-сигналов, излучаемых объектом навигации и передатчиком, установленным в неподвижной точке.
Техническими задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение помехозащищенности устройств, реализующих предлагаемый способ, 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 излучении объектом навигации высокочастотного гармонического сигнала, приеме его в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами, с объекта навигации в течение заданного интервала времени дополнительно излучают второй высокочастотный гармонический сигнал, частота которого отличается от частоты первого высокочастотного гармонического сигнала на заданную величину, в каждой из опорных радионавигационных точек принимают этот сигнал наряду с первым, формируют из принятых сигналов сигналы разностной частоты, передают сформированные сигналы в центральный пункт обработки, где измеряют разности фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных точек, а результаты этих измерений фиксируют, все описанные действия начиная с излучения второго высокочастотного гармонического сигнала повторяют, изменив частоту второго гармонического высокочастотного сигнала таким образом, чтобы новая разностная частота увеличилась примерно на порядок, интервал же времени, в течение которого частота второго гармонического сигнала остается постоянной, выбирают достаточным для измерения разности фаз сигналов разностных частот, полученных из разных опорных радионавигационных точек, по окончании измерений все зафиксированные величины разностей фаз пересчитывают в координаты объекта навигации с учетом взаимного расположения центрального пункта обработки и опорных радионавигационных точек.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых 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.
МО
МО
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 Х и Y, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, расположенные в точках с известными координатами X и Y, X и Y и X и Y соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 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 ОРТ3 сигнал S(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с частотами ω и ω:
.
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 и φ.
1
2
3
1
2
3
Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, удаленных от объекта навигации на расстояния D, D и D соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S(t), S(f) и S(t) имеют следующий вид:
;
,
,
8
где C=2,9979·10 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.
i
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  (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:
,
1
где C - 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:
,
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 аналогично можно представить в виде:
,
где ;
3) сигнал, поступивший из ОРТ3:
.
ОРТ3
3
Он отличается от сигнала S(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего ОРТ3 и ЦПО.
Этот сигнал также можно записать в виде:
,
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 ОРТ3. Эти величины можно рассчитать заранее.
21
2
1
21
21
2
1
Разность фаз Δψ измеряется в ЦПО для того, чтобы потом определить разность дальностей D-D. Если из измеряемой разности фаз Δψ вычесть рассчитываемый фазовый набег , то оставшаяся часть разности фаз Δψ будет связана с разностью дальностей D-D прямой пропорциональной зависимостью.
23
23
2
3
Аналогично в случае исключения из измеряемой разности фаз Δψ рассчитываемого фазового набега  оставшаяся часть разности фаз Δψ будет связана прямой пропорциональной зависимостью с разностью дальностей D-D.
2
1
2
3
A по имеющимся величинам разностей дальностей D-D и D-D могут быть определены координаты объекта навигации.
21
23
p
p
Однозначное определение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, обслуживаемой радионавигационной системой, для которой фазовые сдвиги 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 AB и  для линии EF.
p
p
рн
Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λ и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω. Назовем эту частоту низкой и обозначим ω. Следует отметить, что этот путь расширения области однозначного определения координат ведет к снижению точности фазовых измерений, что автоматически приводит к снижению точности определения координат.
рн
рв
рн
рн
рв
рв
Ф
Для предотвращения снижения точности в предлагаемом способе фазовые измерения осуществляют на двух разностных частотах - на частоте ω и на высокой разностной частоте ω, примерно на порядок большей, чем ω. При этом непосредственные однозначные фазовые измерения возможны только на частоте ω, а на частоте ω результаты непосредственных фазовых измерений неоднозначны. Поэтому фактическую разность фаз Δψ для любых двух сигналов на частоте ω в разных ОРТ, определяют по формулам:
,
Ф
рв
Δψ=Δψ+2πk,
рв
рн
рв
рн
где Δψ и Δψ - разности фаз сигналов, измеренные на частотах ω и ω непосредственно в ЦПО;
int(x) - целая часть аргумента x.
Ф
Измеренные разности фаз и вычисленные коэффициент k и фактическая разность фаз Δψ определяются для каждой из пар 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:
рн21
рн
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
рн23
рн
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3;
рв21
рв
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
рв23
рв
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3.
Кроме того, в расчете используются следующие константы:
1
- значение первой высокой частоты ω;
2н
- значение второй высокой частоты в первой половине цикла излучения ω;
2в
- значение второй высокой частоты во второй половине цикла излучения ω;
- скорость распространения радиоволн в атмосфере C;
1
- скорость C распространения радиосигнала по проводному каналу;
21
- расстояние R между первой и второй опорными радионавигационными точками;
23
- расстояние R между третьей и второй опорными радионавигационными точками;
1
2
3
- расстояния R, R и R между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 соответственно.
Порядок расчета следующий.
1. Вычисляются разностные частоты  и .
2. Вычисляются величины
,
.
рв
3. Вычисляются фактические разности фаз сигналов для пар точек ОРТ2-ОРТ1 и ОРТ2-ОРТ3 на частоте ω:
;
.
4. Решается навигационная задача - определяются координаты объекта навигации:
а) вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точек
;
.
l
2
3
Здесь D, D, D - расстояния от объекта навигации (МО) до первой ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей ОРТ3 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:
a
2l
23
23
21
=α-α; b=γΔd-Δd,
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:
a
23
23
cos(-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
;
.
To обстоятельство, что в предлагаемом способе частоту второго высокочастотного гармонического сигнала, а вместе с ней и разностную частоту (частоту биений) изменяют, 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.
рн
рв
В предлагаемом способе для такого расширения достаточно выбрать частоту ω достаточно низкой, а частоту ω достаточно высокой.
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.
рн
В способе-прототипе частота биений не изменяется в процессе фазовых измерений. Ее в принципе можно выбрать достаточно низкой, например равной ω предлагаемого способа, но она в этом случае должна оставаться такой в процессе всех фазовых измерений, а это приведет к снижению точности измерения координат, которая и без того недостаточно высока из-за погрешности определения координат неподвижного передатчика.
рн
рв
рн
рн
В предлагаемом же способе фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω, а и на частоте ω, которая примерно на порядок выше ω, причем окончательные фазовые измерения осуществляются именно на этой более высокой частоте. При этом измерения на частоте ω используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений. По сравнению с прототипом точность определения координат в предлагаемом способе не снижается, а повышается за счет исключения погрешности определения координат неподвижного передатчика.
Предлагаемый способ не требует непрерывного излучения второго высокочастотного сигнала, что исключает связанное с этим передатчиком снижение помехозащищенности устройств, реализующих способ.
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 5 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 термостабилизированный 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.
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 микропроцессора типа STM, в котором реализуется решение навигационной задачи по приведенному выше алгоритму.
Способ может найти применение 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).