СИСТЕМА ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ ОТ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ
SYSTEM FOR RECEIVING RADIO SIGNALS FROM RADIO SOURCES

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее к наземным системам приема радиосигналов от источников радиоизлучений (ИРИ), находящихся на объектах, в том числе подвижных, 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 системах навигации и посадки летательных аппаратов.
Изобретение позволит одновременно обслуживать несколько ИРИ, контролировать наземными средствами перемещение в пространстве ИРИ, упростить соответствующие системы, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.
Известны системы приема радиосигналов, используемые, в том числе, в системах определения координат ИРИ и основанные на применении угломерных, дальномерных, разностно и суммарно-дальномерных и комбинированных методов определения местоположения объекта-носителя ИРИ с амплитудными, временными, частотными, фазовыми и импульсно-фазовыми методами измерения параметров радиосигналов [патенты РФ №№2018855, 2115137, 2258242, 2309420, 2363117; Основы испытании 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.; Быстров Р.П. и др. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов. / Под ред. Р.П.Быстрова и А.В.Соколова. - М.: Радиотехника, 2008, гл.6; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.: «Радиотехника», 2008, гл.5]. Известные системы имеют те или иные недостатки, например, необходимость механического перемещения антенной системы, невозможность однозначного определения координат ИРИ, ненадежность и др.
1
2
3
1
2
3
По критерию минимальной достаточности за прототип принята система приема радиосигналов от источников радиоизлучений, находящихся на объектах, в том числе подвижных, включающая наземную пунктовую приемную подсистему, содержащую приемники радиосигналов от источников радиосигналов, расположенные в пунктах приемной подсистемы и связанные коммуникационными линиями с подсистемой обработки информации, включающей последовательно функционально соединенные устройство идентификации радиосигналов соответствующим источникам радиосигналов при необходимости, регистратор моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством синхронизации на приемной стороне, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах наземной приемной подсистемы, при этом фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов наземной приемной подсистемы расположены в заданных точках в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξс землей [патент РФ №2204145, 10.05.2003].
Преимуществом заявляемой системы приема радиосигналов от ИРИ, находящихся на объектах, наземной пунктовой приемной подсистемой по сравнению с известными и прототипом является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических систем определения пространственных координат и других характеристик объектов. Это достигается тем, что система включает наземную приемную подсистему с шестью пунктами приема, фазовые центры антенн которых расположены определенным образом. Приемная подсистема в свою очередь содержит приемники радиосигналов, связанные с подсистемой обработки информации (ПОИ), включающей последовательно функционально соединенные устройство идентификации, регистратор моментов времен приема радиосигналов, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах, а ПОИ содержит, в том числе, вычислитель, выполненный с возможностью определения пространственных координат посредством использования предложенных простых выражений, зависящих от указанных разностей времен. Высокая точность достигается, в том числе благодаря выполнению вычислителя с возможностью выбора из предлагаемой в изобретении совокупности вариантов координат объекта в каждой точке пространства наилучшего по точности. Это позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радиотехнической системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Также система исключает неоднозначность определения координат и позволяет контролировать наземными средствами перемещение в пространстве источников радиоизлучений.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
3
i,j
i,j
i,j
i,j
j,k
1
2
m,k
0,k
1,k
2,k
3,k
4,k
n,j
n,j
n,j
n,j
2
2
2
2
2
2
2
Для достижения указанного технического результата в системе приема радиосигналов от источников радиоизлучений, находящихся на объектах, в том числе подвижных, включающей наземную пунктовую приемную подсистему, содержащую приемники радиосигналов от источников радиосигналов, расположенные в пунктах приемной подсистемы и связанные коммуникационными линиями с подсистемой обработки информации, включающей последовательно функционально соединенные устройство идентификации радиосигналов соответствующим источникам радиосигналов при необходимости, регистратор моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством синхронизации на приемной стороне, измеритель разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах наземной приемной подсистемы, при этом фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов наземной приемной подсистемы расположены в заданных точках в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей, в соответствии с настоящим изобретением наземная пунктовая приемная подсистема включает шесть пунктов приема, упорядоченных заданным образом, каждый из которых содержит преимущественно ненаправленные приемные антенны, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке O с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, при этом значение полуоси r задано меньшим упомянутой высоты H, кроме того, указанная приемная подсистема преимущественно включает средства экранирования отраженных от земли радиосигналов, и указанная подсистема обработки включает средство выделения принятых и неотраженных от поверхности земли радиосигналов от источников радиоизлучения, передаваемые по одному в интервале передачи, с заданным временем интервала, не обязательно одинаковым от интервала к интервалу, а упомянутый измеритель разности времен выполнен с возможностью измерения по принятым радиосигналам соответственно индексу j шести групп разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов на i-х пунктах и моментами времен приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы, при этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6, также упомянутая подсистема обработки информации содержит, в том числе, вычислитель дальностей, выполненный с возможностью по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt, через имеющие размерность длины параметры d=cΔt, где c - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-й из шести упомянутых групп трижды определять дальности D в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3, от объекта до соответствующих j-х пунктов приема в соответствии с выражением , где индекс k=(k-3k+4)/2 и индекс k=(5k-k)/2, безразмерный множитель , а безразмерные коэффициенты A соответственно равны A=(9k-45k+36)/2, A=-(39k-180k+126)/4, A=(49k-214k+134)/8, A=-(6k-25k+14)/4, A=(k-4k+2)/8, и вычислитель координат, выполненный с возможностью определять с использованием указанных параметров и дальностей преимущественно пространственные координаты объекта, при этом вычислитель координат выполнен с возможностью в каждом упомянутом интервале шестикратного определения каждой из координат объекта в соответствии с выражением , где индекс i=j+3θ, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ=(9-2j)/3, указанный вычислитель координат выполнен преимущественно с возможностью определения статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно определяемой в интервале передачи, по всей совокупности M интервалов, в том числе математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий, также указанный вычислитель координат выполнен с возможностью определения каждой из координат в заданный момент времени из длительности времени передачи совокупности M интервалов преимущественно как одной из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты и возможностью исключения из предыдущей совокупности первого интервала и включения интервала, следующего за последним интервалом предыдущей совокупности, и повторения в последующих совокупностях, полученных таким образом из М интервалов, всех указанных вычислительных действий в упомянутом порядке, а при необходимости вычислитель координат выполнен с возможностью определения других параметров движения объекта по определенным в заданные моменты времени значениям его координат.
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о системах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать заявляемую систему новой и имеющей изобретательский уровень. Предлагаемая система благодаря отличительным признакам обеспечивает повышение технико-экономической эффективности систем данного назначения.
Ниже изобретение описано более детально со ссылками на фигуры. На фиг.1 показана заявляемая система, на фиг.2-5 - примеры определения зон действия системы с заданными среднеквадратическими ошибками измерения координаты объекта.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
3
i,j
Как и в прототипе, система приема 1 (фиг.1) включает расположенный на объекте 2 (пояснения даются на примере одного объекта) источник радиосигналов 3 и наземную пунктовую приемную подсистему 4, содержащую приемники 5 радиосигналов от источника радиосигналов 3, расположенные в пунктах приемной подсистемы 4 и связанные коммуникационными линиями с подсистемой обработки информации 6, включающей последовательно функционально соединенные устройства 7 идентификации радиосигналов соответствующим источникам радиосигналов, регистраторы 8 моментов приема радиосигналов, например, по временным положениям их передних фронтов, функционально связанные с устройством синхронизации 9 на приемной стороне. Также в подсистеме обработки информации 6 наземной пунктовой приемной подсистемы 4 расположены измерители 10 разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах наземной приемной подсистемы. Фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов наземной приемной подсистемы 4 расположены в заданных точках в прямоугольной системе координат (ξ, ξ, ξ) с началом координат в заданной точке O, находящейся на заданной высоте H над поверхностью земли, с плоскостью (O, ξ, ξ), параллельной плоскости, касательной к поверхности земли в точке пересечения оси Oξ с землей. Система содержит упомянутые составляющие прототипа 1…10 и их функциональные связи, но в отличие от него подсистема 4 включает шесть пунктов приема, каждый из которых содержит преимущественно ненаправленные приемные антенны, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке O с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей упомянутого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, при этом значение полуоси r задано меньшим упомянутой высоты H. Кроме того, подсистема 4 преимущественно включает средства экранирования 11 отраженных от земли радиосигналов, а подсистема обработки 6 включает средство 12 выделения принятых и неотраженных от поверхности земли радиосигналов от источников радиоизлучения. Также измеритель разности времен 10 выполнен с возможностью измерения по принятым радиосигналам соответственно индексу j шести групп разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов на i-х пунктах и моментами времен приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы. Кроме того, подсистема обработки 6 включает, в том числе, вычислитель дальностей 13 и вычислитель 14 преимущественно пространственных координат объекта.
Предложенная система 1 работает следующим образом. Источники радиоизлучений 3, находящиеся на объектах 2, посылают радиосигналы по одному в интервале передачи, с заданным временем интервала, не обязательно одинаковым от интервала к интервалу. Их принимает наземная приемная подсистема 4, фазовые центры приемных антенн каждого из приемных пунктов которой находятся в указанных заданных точках. На приемниках 5 принимают радиосигналы от источников радиоизлучения 3, идентифицируют их в устройстве 7 соответствующим источникам, регистрируют моменты приема радиосигналов регистратором 8, например, по временным положениям их передних фронтов. Устройство 7 и регистратор 8 функционально связаны с устройством синхронизации 9 на приемной стороне. Измеряют разности времен между временами приемов радиосигналов на разных пунктах приемной подсистемы 4 измерителем 10, и в подсистеме 6 обрабатывают полученную информацию.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
3
i,j
i,j
i,j
i,j
j,k
1
2
m,k
0,k
1,k
2,k
3,k
4,k
n,j
n,j
n,j
n,j
2
2
2
2
2
2
2
Технический результат, заключающийся в повышении технико-экономической эффективности радионавигационных систем определения пространственных координат и других характеристик объекта, достигается за счет того, что наземная пунктовая приемная подсистема 4 включает шесть пунктов приема, упорядоченных заданным образом. Радиосигналы от ИРИ принимают преимущественно ненаправленными приемными антеннами, фазовые центры которых расположены в вершинах эллипсоида с центром в точке О с заданными координатами вершин (r; 0; 0), (-r; 0; 0), (0; r; 0), (0; -r; 0), (0; 0; r), (0; 0; -r), где r, r, r - заданные значения полуосей этого эллипсоида, соответствующих осям координат ξ, ξ, ξ, при этом значение полуоси r задано меньшим упомянутой высоты H. В подсистеме 6 средством 12 выделяют принятые приемниками 5 и неотраженные от поверхности земли радиосигналы, например, экранируя средством 11 радиосигналы, отраженные от земли. По принятым радиосигналам производят соответственно индексу j шесть групп измерений разностей Δt между моментами времен приемов радиосигналов на i-х пунктах и моментами времен приемов радиосигналов на j-х пунктах приемной системы. При этом при каждом значении индекса j, изменяющегося от 1 до 6, индекс i принимает значения от 1 до 6. В подсистеме обработки информации 6 в вычислителе 13 по совокупности измеренных указанных групп разностей времен Δt через имеющие размерность длины параметры d=cΔt, где c - скорость распространения радиосигнала, для каждой j-й из шести упомянутых групп трижды (в соответствии с индексом k, принимающим значения 1, 2 и 3) определяют дальности D от объекта до соответствующих j-х пунктов приема в соответствии с выражением . Здесь индекс k=(k-3k+4)/2 и индекс k=(5k-k)/2, безразмерный множитель , а безразмерные коэффициенты A соответственно равны A=(9k-45k+36)/2, A=-(39k-180k+126)/4, A=(49k-214k+134)/8, A=-(6k-25k+14)/4, A=(k-4k+2)/8. Затем в вычислителе 14 определяют преимущественно пространственные координаты объекта в соответствии . Здесь индекс i=j+3θ, а соответствующий номеру координаты индекс n и упомянутый индекс k принимают значения 1, 2 и 3, причем при n=1 индекс j принимает значения 1 и 4, а безразмерный множитель θ=(5-2j)/3, при n=2 индекс j принимает значения 2 и 5, а безразмерный множитель θ=(7-2j)/3, при n=3 индекс j принимает значения 3 и 6, а безразмерный множитель θ=(9-2j)/3. При этом в каждом упомянутом интервале каждую из координат объекта определяют шестикратно. Производят совокупность заданного числа M следующих подряд упомянутых интервалов с общей длительностью времени передачи совокупности, равной сумме времен входящих в нее M интервалов. При этом производят преимущественно определение статистических характеристик статистическими методами траекторных измерений для каждой координаты, шестикратно измеряемой в интервале передачи, по всей совокупности M интервалов, в том числе, математических ожиданий координат и среднеквадратических отклонений математических ожиданий координат соответствующих траекторий [Б.Ф.Жданюк. Основы статистической обработки траекторных измерений. - М.: Сов. радио, 1978 - 384 с.]. Также вычислитель 14 каждую из координат определяет в заданный момент времени (из длительности времени передачи совокупности M интервалов) преимущественно как одну из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты. Этим обеспечивают более высокую точность определения координат объекта, производимых в каждой точке пространства. Кроме того, вычислитель 14 исключает из предыдущей совокупности первый интервал и включает интервал, следующий за последним интервалом предыдущей совокупности, и в последующих совокупностях, полученных таким образом из M интервалов, повторяет все указанные действия в упомянутом порядке. При необходимости по определенным в заданные моменты времени значениям координат определяют другие параметры движения объекта.
Система позволяет варьировать конфигурацию зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи. Можно получать зоны с погрешностью в зоне, не превышающей заданной погрешности измерения координат на границе зоны. Система обладает достаточным быстродействием определения координат и параметров ИРИ при сохранении заданной точности и может быть реализована с помощью современной элементной базы и микропроцессорной техники.
3
1
2
3
1
2
3
Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примере определения зон, обозначенных на фигурах 2…5 светлым тоном, внутри которых и на их границах среднеквадратические ошибки измерения значений координаты ξ в плоскости (O', ξ, ξ), расположенной на высоте движения объекта OO', равной 1000 метров (ξ=1000 м), не превышают заданного значения 10 метров. Заданы высота Н=20 метров, значения r=300 м, r=700 м, r=15 м. Прямоугольником обозначен размер и ориентация взлетно-посадочной полосы условного аэродрома, значками обозначены расположения фазовых центров антенн передающих пунктов. На фиг.2 представлена указанная зона при упомянутом индексе k=1 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.3 - соответственно при индексе k=2 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6, на фиг.4 - соответственно при индексе k=3 композиции группы измерений с индексом j, равным 3, и группы с индексом j, равным 6. На фиг.5 представлена указанная зона для общей композиции, объединяющей указанные композиции, соответствующие фиг 2, 3 и 4, в которой координату определяют в заданный момент времени преимущественно как одно из шести соответствующих ей математических ожиданий координат с минимальным среднеквадратическим отклонением математического ожидания координаты.
Перечислим основные достоинства системы:
- обеспечивает однозначное измерение пространственных координат объекта с заданной точностью,
- может быть реализована с использованием существующей элементной базы и микропроцессорной техники,
- обеспечивает эффективное использование радиочастотного спектра,
- позволяет одновременно обслуживать несколько объектов,
- позволяет варьировать конфигурацию указанной зоны действия радионавигационной системы и формировать ее в зависимости от поставленной задачи и особенностей рельефа окружающей местности.
Результативность и эффективность использования заявляемой системы приема радиосигналов от источников радиоизлучений состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат объектов, а также в других приложениях. Система позволяет определять их однозначно простыми по сравнению с известными методами.
Таким образом, отличительные признаки заявляемой системы 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 заявленной системы условию «новизны».
Результаты поиска известных решений, в том числе имеющих отношение к радиопеленгации, радионавигации, радиоуправлению и связи, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы, 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».