СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ
SYSTEM FOR MEASURING COORDINATES OF 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.
Известна система для определения местоположения движущегося по дорогам транспортного средства (Road vehicle locating system) [Международная заявка РСТ N89/12835: G018 5/02, G08G 1/12 (UK, заявл. 17.06.88, опубл. 28.12.89)], содержащая приемник сигналов, размещенный на центральной станции, навигационное устройство, размещенное на движущемся объекте, и передающий блок типа радиотелефона, соединенный с навигационным устройством.
Приемник является существенным признаком и заявляемой системы.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно низкая точность определения координат, так как координаты определяются навигационным устройством на основе данных радиомаяков, которые недостаточно точны.
Известна также защищенная патентом РФ №2013785 кл. G01S 13/00, 1994 система определения местоположения подвижных объектов, содержащая центральный пункт, не менее четырех приемных пунктов, М передатчиков, приемные и передающие антенны, блоки измерения задержки, приемники.
Передатчики и приемники являются существенными признаками и заявляемой системы.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является сложность реализации системы, что обусловлено большим объемом оборудования и необходимостью использования достаточно сложной системы единого времени.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является обращенная разностно-дальномерная радионавигационная система [Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Советское радио, 1979, с.97-100].
Эта система содержит четыре передатчика высокочастотных гармонических сигналов и не менее пяти приемников этих сигналов. Один из передатчиков установлен на подвижном объекте навигации, второй - на неподвижном объекте, остальные передатчики и приемники установлены в опорных навигационных точках с известными координатами.
Передатчики высокочастотных гармонических сигналов и их приемники являются существенными признаками и заявляемой системы.
Причиной, препятствующей обеспечению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с определенной погрешностью, что приводит к снижению точности измерения координат объекта навигации.
Еще одной причиной, препятствующей достижению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость непрерывного излучения сигнала неподвижным передатчиком. Это ухудшает условия электромагнитной совместимости аппаратуры системы. Возникает необходимость приема и передачи двух сигналов с близкими частотами, что ухудшает условия обеспечения информационной безопасности аппаратуры системы и облегчает возможность подавления ее работы потенциальным злоумышленником. Указанные обстоятельства существенно снижают помехозащищенность системы.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения местоположения объекта навигации и помехозащищенности системы.
Для достижения указанного технического результата в известную систему, содержащую первый передатчик высокочастотного гармонического сигнала, установленный на объекте навигации, второй передатчик высокочастотного гармонического сигнала, отличающийся по частоте от первого, и три приемника этих сигналов, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, второй передатчик установлен, как и первый, на объекте навигации, при этом оба передатчика подключены к общей антенне и в систему дополнительно введены три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации, выходы первого, второго и третьего приемников соединены с обоими входами балансного смесителя соответственно первого, второго и третьего измерительных каналов, первый вход первого фазового детектора соединен со вторым входом третьего фазового детектора и выходом первого измерительного канала, второй вход первого фазового детектора соединен с первым входом второго фазового детектора и выходом второго измерительного канала, а первый вход третьего фазового детектора соединен со вторым входом второго фазового детектора и выходом третьего измерительного канала, а каждый из аналого-цифровых преобразователей включен между выходом соответствующего фазового детектора и соответствующим входом вычислителя координат объекта навигации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:
на фиг. 1 - структурная схема предлагаемой системы;
на фиг. 2 - взаимное расположение объекта навигации и опорных радионавигационных точек с приемниками.
Система для измерения координат объекта навигации содержит два расположенных на объекте навигации передатчика 1.1 и 1.2 высокочастотных гармонических сигналов с общей передающей антенной 2, три приемника 3.1, 3.2 и 3.3 этих сигналов с приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, три измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), три фазовых детектора 5.1, 5.2 и 5.3, три аналого-цифровых преобразователя 6.1, 6.2 и 6.3 и вычислитель 7 координат объекта навигации.
Каждый из измерительных каналов содержит последовательно включенные балансный смеситель 8.i , узкополосный фильтр 9.i , усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i . Выходы каждого из приемников 3.i соединены с обоими входами соответствующего балансного смесителя 8.i. Первый вход фазового детектора 5.1 соединен со вторым входом фазового детектора 5.3 и выходом первого измерительного канала, второй вход фазового детектора 5.1 соединен с первым входом фазового детектора 5.2 и выходом второго измерительного канала, а первый вход фазового детектора 5.3 соединен со вторым входом фазового детектора 5.2 и выходом третьего измерительного канала. Каждый из аналого-цифровых преобразователей 6.i включен между выходом соответствующего фазового детектора 5.i и соответствующим входом вычислителя 7.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
Функционирование системы поясняется фиг. 2, на которой показаны мобильный объект навигации (МО) с передатчиками 1.1 и 1.2 и общей передающей антенной 2, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 с приемниками 3.1, 3.2 и 3.3 и приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 расположены в точках с известными координатами X и Y, Х и Y и Х и Y соответственно. Там же показаны расстояния D, D и D между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а также направление N на север.
0
1
Передатчики 1.1 и 1.2 генерируют высокочастотные гармонические сигналы с частотами ω и ω соответственно. С помощью общей антенны 2 в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 излучается сумма этих двух сигналов:
0
1
Эти сигналы имеют одинаковые амплитуды А и случайные начальные фазы φ и φ.
1
2
3
С помощью приемников 3.1, 3.2 и 3.3 с антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 эти сигналы принимаются в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, находящихся на расстояниях D, D и D от объекта навигации соответственно:
8
где С=3·10 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.
Принятые сигналы поступают на входы измерительных каналов (каналов формирования разностных частот).
Каждый из измерительных каналов представляет собой совокупность последовательно включенных балансного смесителя 8.i , узкополосного фильтра 9.i  и усилителя-ограничителя 10.i .
i
Сигнал S(t) поступает на оба входа балансного смесителя 8.i . В нем сигнал, по сути, возводится в квадрат, и на выходе смесителя 8.i  получим:
0
1
0
1
p
0
1
Таким образом, на выходе балансного смесителя формируются сигнал нулевой частоты (постоянная составляющая ), три высокочастотных гармонических сигнала с частотами, равными 2ω, 2ω и (ω+ω), а также гармонический сигнал с разностной частотой ω=(ω-ω).
p
0
1
0
1
Узкополосный фильтр 9.i  настроен на разностную частоту ω. Постоянная составляющая , как и высокочастотные составляющие с частотами 2ω, 2ω и (ω+ω), подавляются этим фильтром, а сигнал разностной частоты проходит через этот фильтр, усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i  проходит на выход измерительного канала. Усилитель-ограничитель 10.i и резонансный усилитель 11.i  осуществляют нормирование сигналов разностной частоты, сохраняя их гармоническими и устраняя в то же время зависимость их амплитуды от расстояния между мобильным объектом и радионавигационными точками.
p
Таким образом, на выходах измерительных каналов в каждой из радионавигационных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 сформируются гармонические сигналы разностной частоты ω с постоянной амплитудой:
1
2
3
Эти сигналы сдвинуты по фазе один относительно другого на величины ,  и , которые определяются расстояниями D, D и D соответственно.
Сигналы разностных частот по проводам передаются в центральный приемный пункт, где установлены фазовые детекторы 5.1, 5.2, 5.3, аналого-цифровые преобразователи 6.1, 6.2, 6.3 и вычислитель 7 координат объекта навигации.
В качестве центрального приемного пункта в принципе может быть использована, например, одна из опорных радионавигационных точек. Примем для определенности, что территориально центральный приемный пункт находится в точке ОРТ2.
В этих условиях на центральном приемном пункте принимаются три следующих сигнала:
1) сигнал с выхода первого измерительного канала
21
Он отличается от сигнала  амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего ОРТ1 и центральный приемный пункт (в данном случае точку ОРТ2).
Этот сигнал можно представить в следующем виде:
,
где ;
2) сигнал с выхода второго измерительного канала, непосредственно сформированный в точке ОРТ2 (центральном приемном пункте)
.
В данном случае дополнительный фазовый сдвиг отсутствует, поскольку расстояние между точкой ОРТ2 и центральным приемным пунктом равно нулю.
Этот сигнал также можно представить в виде
,
где ;
3) сигнал с выхода третьего измерительного канала:
.
Этот сигнал по аналогии также можно записать в виде:
,
где .
21
22
21
22
21
23
22
23
22
23
Найдем разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов S(t) и S(t) и разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов S(t) и S(t):
,
.
0
1
Из этих выражений следует, что в этих разностях отсутствуют случайные фазовые сдвиги φ и φ.
21
23
21
23
Исключив из последних выражений для Δψ и Δψ известные фазовые сдвиги  и , получим окончательные выражения для расчета неизвестных координат объекта навигации - разности Δφ фаз сигналов разностной частоты, сформированных вторым и первым измерительными каналами, а также для расчета разности Δφ сигналов разностной частоты, сформированных вторым и третьим измерительными каналами:
,
.
21
23
2
1
2
3
Таким образом, величина Δφ представляет собой разность фаз сигналов разностной частоты между второй и первой опорными точками, а величина Δφ - между второй и третьей опорными точками. Указанные разности фаз однозначно соответствуют разностям дальностей D-D и D-D соответственно.
21
23
1
2
3
Это позволяет сделать вывод, что по результатам измерений параметров Δφ и Δφ могут быть рассчитаны величины D, D и D - расстояния между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а следовательно, и координаты объекта навигации.
Измерение разностей фаз сигналов на выходах измерительных каналов в центральном приемном пункте осуществляется с помощью фазовых детекторов 5.1, 5.2 и 5.3. Результаты измерений с помощью аналого-цифровых преобразователей 6.1, 6.2 и 6.3 преобразуются в цифровую форму и передаются в вычислитель 7 для пересчета результатов измерения в координаты объекта навигации.
Ниже приведен алгоритм пересчета результатов измерения разности фаз сигналов разностной частоты в координаты объекта навигации.
Исходными данными для расчета являются:
21
- разность Δφ фаз сигналов разностной частоты для первой и второй радионавигационных точек;
23
- разность Δφ фаз сигналов разностной частоты для третьей и второй радионавигационных точек.
Кроме того, в расчете используются следующие константы:
0
- значение первой высокой частоты ω;
1
- значение второй высокой частоты ω;
- скорость распространения радиоволн в атмосфере С;
21
- расстояние между первой и второй опорными радионавигационными точками R;
23
- расстояние между третьей и второй опорными радионавигационными точками R.
Порядок расчета следующий.
1) Вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точек
;
.
1
2
3
Здесь D, D, D - расстояния от объекта навигации (МО) до ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 - опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 2.
21
23
2) Нормируются величины ΔD и ΔD по длинам базовых линий и вычисляется параметр γ:
3) Определяются постоянные параметры:
а
21
23
23
21
=α-α; b=γ·Δd-Δd,
21
21
где α - угол между направлением на север и базовой линией R;
23
23
α - угол между направлением на север и базовой линией R.
23
23
4) Составляется уравнение для расчета угла β между базовой линией R и направлением на объект навигации:
а
23
23
Cos(-β)-γ·Cosβ=b
23
Это уравнение решается относительно угла β каким-либо из итерационных методов, например методом деления отрезка пополам.
5) 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:
Таким образом, в предлагаемой системе исключена присущая системе-прототипу составляющая погрешности, обусловленная неточностью определения координат неподвижного передатчика второго гармонического высокочастотного сигнала. В предлагаемой системе оба передатчика размещены на мобильном объекте, и для излучения сигналов используется одна и та же антенна, вследствие чего устраняется причина возникновения рассматриваемой дополнительной составляющей погрешности при измерении координат мобильного объекта. Следовательно, точность измерения координат в предлагаемой системе выше, чем в прототипе.
Кроме того, в предлагаемой системе отсутствует необходимость в непрерывном излучении второго гармонического сигнала, поскольку он может излучаться лишь в промежутки времени, достаточные для измерения разности фаз сигналов разностной частоты. Это время не превышает долей миллисекунды. Малое время излучения сигнала затрудняет его обнаружение, а следовательно, и подавление потенциальным злоумышленником. Это значительно повышает помехоустойчивость заявляемой системы по сравнению с прототипом.
Техническая реализация системы не вызывает затруднений.
Для реализации высокочастотных сигналов может быть выбран диапазон 1200-1400 МГц. В этом диапазоне легко обеспечить выполнение условия узкополосности при передаче и приеме двух сигналов и одновременно избежать больших потерь энергии радиосигналов в атмосфере.
В качестве передатчиков 1.1 и 1.2 сигнала могут быть использованы интегральные СВЧ-усилители типа 8РР51222, к входам которых подключены синтезаторы частоты типа ADF4360-5.
В качестве антенны 2 может использовать полуволновый вибратор, к входу которого подключен микрополосковый сумматор с двумя входами.
В качестве приемников 3.1, 3.2 и 3.3 сигнала можно использовать СВЧ-усилители типа SPF5122Z.
В качестве приемных антенн 4.1, 4.2 и 4.3 используются полуволновые вибраторы.
В качестве фазовых детекторов 5.1, 5.2 и 5.3 микросхема типа SYPD-1.
В качестве аналого-цифровых преобразователей 6.1, 6.2 и 6.3 и качестве вычислителя 7 микросхема STM32F407, содержащая два встроенных 12-ти разрядных аналого-цифровых преобразователя и 16-ти разрядный микропроцессор.
Балансные смесители 8.i могут быть реализованы на транзисторах BFP620.
Узкополосный фильтр 9.i может быть реализован на микрополосковых линиях.
В качестве усилителя-ограничителя 10.i можно использовать логарифмический усилитель AD8309.
В качестве резонансного усилителя можно использовать активный полосовой фильтр второго порядка на операционном усилителе AD797ANZ.