РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
RADIOTECHNICAL COORDINATE SYSTEM

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат (ПК) фазового центра (ФЦ) антенны радиотехнического объекта (РО), в том числе, подвижного, и управления его движением в зоне навигации. Заявляемая система содержит принимающий радиосигналы РО, наземную пунктовую передающую радиосигналы (р/с) систему (НПРС), включающую упорядоченно пронумерованные передающие р/с пункты, в количестве не менее четырех, координаты фазовых центров антенн которых известны на принимающем р/с РО и наземную радиотехническую контрольную станцию (КС) с подвижной антенной (ПА). Реализация системы позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить точность и однозначность измерения координат ФЦ антенны объекта.
Известны радиотехнические системы определения координат, основанные на использовании амплитудных, временных, импульсных, частотных, фазовых и импульсно-фазовых методов измерения параметров сигнала (Патенты РФ 2213979, 2232402, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2371737, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2587471, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506, 2620359, 2638572, 2640032, 2653506, 2657237; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630 А1. 2016/0330584 А1, 2016/0337933 А1, Пат. FR 2504275; Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, с. 7, 17-18, п.п. 7.1-7.4, гл. 10.; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.; «Радиотехника», 2008, гл. 5; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. радио, 1979, с. 10-11,97-100).
Известные системы имеют те или иные недостатки, например, большую мощность передатчика, сложность обнаружения движущихся объектов на фоне отражений от неподвижных объектов в импульсном методе, необходимость иметь несколько антенн, высокие требования к линейности ПЧМ сигнала в частотном методе, неоднозначность определения из-за повторения фазы через период в фазовом методе, необходимость наличия единой системы времени передающей р/с системы и объекта, либо наличия усложненных способов синхронизации, недостаточное быстродействие и точность и др.
По критерию минимальной достаточности наиболее близким является радиотехническая система определения координат РО по патенту RU №2530233.
Преимуществом заявляемой системы определения координат РО по сравнению с известными является обеспечение однозначного определения координат с небольшим количеством измеряемых параметров без привлечения дополнительной информации о местоположении РО и отсутствие требования обеспечения наличия единой системы времени на РО и НПРС. Это достигается тем, что заявляемая система содержит НПРС, включающую не менее четырех упорядоченно пронумерованных пунктов. Каждый пункт содержит передающее антенное устройство (АУ), подсоединенное к передающему р/с устройству (РУ), выполненному с возможностью формирования и передачи р/с с заданными индивидуальными признаками. Координаты фазовых центров (ФЦ) антенн передающих АУ пунктов известны на РО. Также в НПРС введена контрольная наземная радиотехническая станция (КС), содержащая принимающее АУ, функционально связанное с принимающим РУ. При этом КС содержит либо приемный антенный модуль (ПАМ), подсоединенный к принимающему АУ, выполненный как с возможностью фиксации положения ФЦ антенны принимающего АУ, так и с возможностью перемещения антенны КС таким образом, что ФЦ подвижной антенны (ПА) перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью, либо КС содержит стационарную приемную антенну, подсоединенную к принимающему РУ, и указанный ПАМ. Также КС содержит измерительно-информационную подсистему (ИИП), выполненную с возможностью измерения при фиксированном положении ФЦ ПА частотного отклонения спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного положения спектра для каждого пункта, а при перемещении ФЦ антенны - измерения проекций его скорости, соответствующих им ускорений и производных этих ускорений по времени на прямые, соединяющие ФЦ ПА с ФЦА пунктов, и возможности определения по этим проекциям и указанной угловой скорости времен, изменяющихся во времени, прохождения р/с от ФЦ ПА до ФЦА пунктов и временные сдвиги для каждого пункта. Каждый пункт снабжен информационной системой (ИС), выполненной с возможностью использования полученной от ИИП информации о ЧОС для обеспечения частотной подстройки на каждом пункте, а информации о временных сдвигах - для корректировки временной задержки посылки р/с каждого пункта и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами р/с. РО содержит функционально связанные принимающее АУ, принимающее РУ и подсистему, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от ФЦА РО до ФЦА пунктов и определения координат ФЦА РО по относительным дальностям и координатам ФЦА пунктов.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
a
a
Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением радиотехническая система определения координат радиотехнического объекта, стационарного или подвижного, содержит наземную пунктовую передающую радиосигналы систему, включающую упорядочение пронумерованные передающие радиосигналы n-тые пункты, где индекс n изменяется от 1 до N≥4, каждый n-тый пункт содержит передающее антенное устройство, при этом фазовые центры антенн передающих антенных устройств каждого из n-тых пунктов находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами X,Y,Z в заданной трехмерной декартовой системе координат (X,Y,Z), к передающим антенным устройствам подсоединены передающие радиосигналы устройства, выполненные с возможностью формирования и передачи радиосигналов с заданными индивидуальными признаками, содержащих, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, и обеспечения частотной подстройки и синхронизации передаваемых радиосигналов, также в наземную пунктовую передающую радиосигналы систему введена контрольная наземная радиотехническая станция, содержащая принимающее антенное устройство, функционально связанное с принимающим радиосигналы устройством, выполненным с возможностью приема радиосигналов, передаваемых указанными n-тыми пунктами, и их идентификации, при этом контрольная наземная радиотехническая станция содержит либо приемный антенный модуль, подсоединенный к ее принимающему антенному устройству, выполненный как с возможностью фиксации положения фазового центра антенны ее принимающего антенного устройства, так и с возможностью перемещения антенны контрольной наземной радиотехнической станции таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью ω из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени Δt, либо контрольная наземная радиотехническая станция содержит стационарную приемную антенну, подсоединенную к ее принимающему радиосигналы устройству, и указанный приемный антенный модуль, также контрольная наземная радиотехническая станция содержит измерительно-информационную подсистему, которая функционально связана с принимающим радиосигналы устройством и с указанным приемным антенным модулем и выполнена с возможностью измерения либо с использованием указанной стационарной приемной антенны, либо при фиксированном положении фазового центра антенны ее принимающего антенного устройства частотного отклонения спектра принимаемого радиосигнала от заданного положения спектра для каждого n-того пункта, а при указанном перемещении фазового центра подвижной антенны ее принимающего антенного устройства выполнена с возможностью измерения проекции скорости перемещения фазового центра подвижной антенны v (t) на прямые, соединяющие фазовый центр указанной подвижной антенны с фазовыми центрами передающих антенн n-тых пунктов, а также измерения соответствующих им ускорений (t), производных b(t) этих ускорений по времени, кроме того, измерительно-информационная подсистема выполнена с возможностью по указанным проекциям скорости v(t), ускорения (t), производных b(t) этих ускорений по времени и указанной угловой скорости со определения времен, изменяющихся во времени, прохождения радиосигналов от фазового центра указанной подвижной антенны ее принимающего антенного устройства до фазовых центров антенн передающих антенных устройств n-тых пунктов в соответствии с уравнением измерения , где с - скорость распространения радиосигналов, а также выполнена с возможностью определения изменяющихся во времени относительных временных задержек tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения временных сдвигов между T(t) и tr(t) для каждого n-того пункта, кроме того, контрольная наземная радиотехническая станция содержит функционально связанные с измерительно-информационной подсистемой блок отображения и блок передачи информации потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты, каждый пункт снабжен информационной системой, выполненной с возможностью приема и идентификации соответствующей ему информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге, и с возможностью использования информации об указанном измеренном частотном отклонении спектра для обеспечения частотной подстройки на каждом n-том пункте, а также с возможностью использования информации об указанных временных сдвигах для корректировки временной задержки посылки радиосигнала каждого n-того пункта и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами радиосигналов, также указанный радиотехнический объект содержит принимающее антенное устройство, функционально связанное с принимающим радиосигналы устройством, выполненным с возможностью приема радиосигналов, передаваемых указанными n-тыми пунктами, их идентификации, а также содержит подсоединенную к принимающему радиосигналы устройству подсистему, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от фазового центра антенны принимающего антенного устройства радиотехнического объекта до фазовых центров антенн передающих антенных устройств n-тых пунктов, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения пространственных координат фазового центра антенны принимающего антенного устройства радиотехнического объекта по указанным относительным дальностям и известным на радиотехническом объекте координатам X,Y,Z фазовых центров антенн передающих антенных устройств каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы.
Кроме того, приемный антенный модуль выполнен с возможностью перемещения антенны принимающего антенного устройства контрольной наземной радиотехнической станции из заданного положения в другое заданное положение на указанной круговой траектории, в том числе, и через заданное число полных циклов оборотов, а также и с изменением направления перемещения.
n
n
n
n
n
Также измерительно-информационная подсистема выполнена с возможностью определения дальномерным методом изменяющихся во времени координат x(t),y(t),z(t) фазового центра подвижной антенны принимающего антенного устройства контрольной наземной радиотехнической станции по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на контрольной наземной станции координатам X,Y,Z фазового центра антенны передающего антенного устройства каждого n-того пункта наземной пунктовой радиотехнической системы в указанной трехмерной декартовой системе координат (X,Y,Z).
n
Кроме того, радиотехническая система выполнена с возможностью выполнения измерений указанных D(t) на заданных участках указанной круговой траектории.
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о системах того же назначения с указанной совокупностью признаков.
Ниже изобретение описано более детально со ссылками на фигуру.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
п
n
n
n
a
a
На фигуре показана заявляемая радиотехническая система 1, которая содержит принимающий р/с радиотехнический объект 2, стационарный или подвижный, и НПРС 3, включающую упорядоченно пронумерованные передающие р/с n-тые пункты 4. Каждый n-тый пункт 4 содержит передающее АУ 5, при этом ФЦ антенн передающих АУ 5 каждого из n-тых пунктов 4 находятся в заданных и известных на этом радиотехническом объекте точках с координатами X,Y,Z в заданной трехмерной декартовой системе координат (X,Y,Z). К передающим АУ 5 подсоединены передающие РУ 6, выполненные с возможностью формирования и передачи радиосигналов с заданными индивидуальными признаками, содержащих, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, и обеспечения частотной подстройки и синхронизации передаваемых р/с. Также в НПРС 3 введена наземная радиотехническая контрольная станция (КС) 7, содержащая принимающее АУ 8, функционально связанное с принимающим РУ 9, выполненным с возможностью приема р/с, передаваемых n-тыми пунктами 4, и их идентификации. При этом КС 7 содержит либо приемный антенный модуль (ПАМ) 10, подсоединенный к принимающему АУ 8 и выполненный как с возможностью фиксации положения ФЦ антенны принимающего АУ 8, так и с возможностью перемещения антенны КС 7 таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью ω из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени Δt, либо КС 7 содержит стационарную приемную антенну 11, подсоединенную к принимающему РУ 9, и указанный ПАМ 10. Также КС 7 содержит измерительно-информационную подсистему (ИИП) 12, которая функционально связана с принимающим РУ 9 и с ПАМ 10 и выполнена с возможностью измерения либо с использованием стационарной приемной антенны 11, либо при фиксированном положении ФЦ антенны принимающего АУ 8 частотного отклонения спектра (ЧОС) принимаемого р/с от заданного положения спектра для каждого n-того пункта 4, а при перемещении ФЦ подвижной антенны принимающего АУ 8 выполнена с возможностью измерения проекции скорости перемещения ФЦ подвижной антенны v(t) на прямые, соединяющие ФЦ подвижной антенны с ФЦ передающих антенн n-тых пунктов 4, а также измерения соответствующих им ускорений (t)n производных b(t) этих ускорений по времени. Кроме того, ИИП 12 выполнена с возможностью по указанным проекциям скорости v(t), ускорений (t), производных b(t) ускорений по времени и указанной угловой скорости со определения времен Т (t) прохождения р/с от ФЦ подвижной антенны принимающего АУ 8 до ФЦ антенн передающих АУ 5 n-тых пунктов 4 в соответствии с указанным уравнением измерения. Также ИИП 12 выполнена с возможностью определения относительных временных задержек tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения временных сдвигов между T(t) и tr(t) для каждого n-того пункта 4.
Кроме того, КС 7 содержит функционально связанные с ИИП 12 блок отображения 13 и блок передачи информации 14 потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты 4. Каждый пункт 4 снабжен информационной системой (ИС) 15, выполненной с возможностью приема и идентификации соответствующей ему информации об измеренном ЧОС принимаемого р/с от заданного его положения и указанном временном сдвиге, и с возможностью использования информации об измеренном ЧОС для обеспечения частотной подстройки на каждом n-том пункте 4, а также с возможностью использования информации об указанных временных сдвигах для корректировки временной задержки посылки радиосигнала каждого n-того пункта 4 и обеспечения общей синхронизации передаваемых всеми пунктами 4 р/с. Также РО 2 содержит принимающее АУ 16, функционально связанное с принимающим РУ17, выполненным с возможностью приема р/с, передаваемых n-тыми пунктами 4, их идентификации. Кроме того, РО 2 содержит подсоединенную к принимающему РУ 17 подсистему 18, выполненную с возможностью определения относительных дальностей от ФЦ антенны принимающего РУ 16 радиотехнического объекта 2 до ФЦ антенн передающих АУ 5 n-тых пунктов 4, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, и определения пространственных координат ФЦ антенны принимающего АУ 16 радиотехнического объекта 2 по указанным относительным дальностям и известным на РО 2 координатам ФЦ антенн передающих АУ 5 каждого n-того пункта 4 НПРС 3.
Кроме того, ПАМ 10 выполнен с возможностью перемещения антенны принимающего антенного устройства КС 7 из заданного положения в другое заданное положение на указанной круговой траектории, в том числе, и через заданное число полных циклов оборотов, а также и с изменением направления перемещения.
n
n
n
n
n
n
Также ИИП 12 выполнена с возможностью определения дальномерным методом изменяющихся во времени координат x(t),y(t),z(t) ФЦ подвижной антенны принимающего АУ 8 КС 7 по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на КС 7 координатам X,Y,Z ФЦ антенны передающего АУ 5 каждого n-того пункта 4 НПРС 3 в указанной трехмерной декартовой системе координат (X,Y,Z). Кроме того, радиотехническая система 1 выполнена с возможностью выполнения измерений указанных D(t) на заданных участках указанной круговой траектории, на которых отсутствуют сингулярности в уравнении измерения.
Предложенная система работает следующим образом.
Радиосигналы с индивидуальными признаками, содержащие, в том числе, по крайней мере, три заданных гармонических составляющих, формируют и передают НПРС 3 с упорядоченно пронумерованных n-тых пунктов 4. Радиосигналы принимают на РО 2. Кроме того, р/с принимают и идентифицируют для каждого n-того пункта системы на КС 7. Прием р/с на КС 7 осуществляют либо на стационарную антенну 11, либо на подвижную антенну принимающего АУ 8, положение фазового центра которой фиксируют, и измеряют частотное отклонение спектра принимаемого р/с от заданного его положения для каждого n-того пункта.
Перемещают антенну КС 7 таким образом, что ее фазовый центр перемещается вдоль заданной круговой траектории с заданной угловой скоростью со из упомянутого заданного положения на этой траектории в течение заданного промежутка времени At
n
n
n
n
n
n
n
n
n
a
a
Измеряют проекции скорости перемещения ФЦ подвижной антенны принимающего АУ 8 v(t) на прямые, соединяющие ФЦ подвижной антенны с ФЦ антенн n-тых пунктов 4. Также измеряют соответствующие им ускорения (t)к производные b(t) этих ускорений по времени. По проекциям скорости v(t), ускорения (t), производных b(t) этих ускорений по времени и угловой скорости со определяют времена, изменяющиеся во времени, прохождения р/с от ФЦ подвижной антенны до ФЦ антенн n-тых пунктов 4 в соответствии с указанным уравнением измерения. Кроме того, определяют изменяющиеся во времени относительные временные задержки tr(t), используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие. Для каждого n-того пункта определяют временные сдвиги между T(t) и tr(t).
Полученную информацию отображают и передают потребителям, в том числе, на соответствующие n-тые пункты системы. На каждом n-том пункте 4 принимают и идентифицируют соответствующую ему информацию об измеренном ЧОС принимаемого радиосигнала от заданного его положения и указанном временном сдвиге. С использованием информации об измеренном ЧОС обеспечивают частотную подстройку (получение заданного положения спектра передаваемых им р/с) на каждом n-том пункте 4, С использованием информации о временном сдвиге, корректируя временную задержку посылки р/с каждого n-того пункта 4 с учетом указанного временного сдвига, обеспечивают общую синхронизацию передаваемых всеми пунктами 4 радиосигналов.
n
n
n
n
n
При приеме р/с на РО 2 их идентифицируют соответствующим n-тым передающим р/с пунктам 4, определяют, используя указанные, по крайней мере, три гармонические составляющие, относительные дальности от ФЦ антенны принимающего р/с РО 2 до ФЦ антенн передающих р/с n-тых пунктов 4. По относительным дальностям и известным на РО 2 координатам X,Y,Z ФЦ передающих антенн каждого n-того пункта 4 НПРС однозначно определяют пространственные координаты ФЦ антенны РО 2. Для определения пространственных координат ФЦ антенны РО 2 по относительным дальностям до него можно использовать, например, методы по патентам RU №№2530231, 2530239, 2530240, 2638572 или по международным заявкам в системе РСТ (WO/2015/012733, WO/2015/012734, WO/2015/012737) или опубликованным в статьях автора (Алгоритм определения пространственных координат объекта по относительным дальностям до него // Нелинейный мир. 2015. №5. С. 38-41; Итерационный алгоритм определения пространственных координат объекта // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. №7. С. 64-69). Также по дальностям D(t), равным T(t)c, и известным на КС 7 координатам ФЦ передающих антенн каждого п -того пункта 4 НПРС в трехмерной декартовой системе координат определяют дальномерным методом (например, по патентам автора RU №№2484604, 2484605 или опубликованным в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]) изменяющиеся во времени координаты x(t),y(t),z(t) ФЦ принимающей подвижной антенны КС.
Перемещения ФЦ антенны КС осуществляют в виде повторяющихся циклов, в том числе, с изменением направления перемещения. Антенну КС 7 устанавливают на заданном расстоянии от оси вращения приемного антенного устройства, снабженного сервоприводом с программируемым логическим контроллером, противовесами для балансировки, датчиком кругового перемещения, токосъемником и другими необходимыми элементами. Подобные устройства, в которых оси устройств совпадают с осями их вращения широко используются в технике, например, в радарах (habr.com Справочник по антеннам для радаров; yandex.ru Вращающиеся антенны локаторов. Обращения 12.03.2020). Ось антенны смещают относительно оси вращения приемного антенного устройства, что обеспечивает круговую траекторию перемещения антенны и ФЦА. Тем не менее, часть элементов, необходимых для обеспечения работы, например, локаторов, может быть использована и при реализации данной системы.
Измерение скоростей основано на измерении смещения частоты сигнала, связанного с эффектом Доплера. Аналогичная система может быть применена и при использовании других диапазонов частот (оптических, акустических).
Перечислим основные достоинства системы:
- пространственные координаты РО определяются однозначно с высокой точностью без привлечения дополнительной априорной информации о местоположении РО:
- не требуется единая система времени на РО и НПРС;
- реализация системы проще и дешевле, чем известных аналогов;
- осуществляется частотная подстройка у всех передаваемых НПРС р/с по эталонному генератору принимающей радиосигналы КС;
- обеспечивается общая синхронизация передаваемых всеми пунктами р/с;
- не предъявляются высокие требования к вычислительной системе по быстродействию и объему памяти.
Результативность и эффективность использования заявляемой системы состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования навигационных систем.
Таким образом, заявляемая система обеспечивает появление новых свойств, не достигаемых в аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию «новизны».
Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Таким образом, заявленное изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а также критерию «промышленная применимость».