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.
Существенным признаком аналога, совпадающим с заявляемым способом, является определение направления на источник излучения.
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 технического результата в этих аналогах, 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.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с заявляемым способом, являются излучение высокочастотных гармонических сигналов объектом навигации, прием излучаемых гармонических высокочастотных сигналов в опорных радионавигационных точках с известными координатами, формирование там сигналов разностной частоты из принятых высокочастотных сигналов.
Причинами, препятствующими достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются следующие.
Первой причиной 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 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 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.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является 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 уменьшения точности этого определения.
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 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 из каждого из них дополнительно формируют сигналы масштабной частоты, величина которой в n раз меньше разностной частоты, измеряют и фиксируют разности фаз сигналов разностной частоты, поступивших из разных опорных точек, а также разности фаз сформированных из них сигналов масштабной частоты, по окончании измерений результаты измерений разностей фаз пересчитывают в координаты объекта навигации с учетом взаимного расположения центрального пункта обработки и опорных радионавигационных точек.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором 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 X и Y, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, расположенные в точках с известными координатами Xи Y, Х и Y и Х 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
1
2
С объекта навигации в течение заданного интервала времени излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ сигнал S(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с амплитудами А, частотами ω и ω и случайными начальными фазами φ и φ:
Интервал времени, в течение которого излучается рассматриваемый сигнал, выбирается достаточным для выполнения фазовых измерений в ЦПО (подробнее об этом будет сказано ниже).
1
2
3
1
2
3
Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ, удаленных от объекта навигации на расстояния D, D и D соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S(t), S(t) и S(t) имеют следующий вид:
8
где С=2,9979·10м/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 временными задержками, которые определяются расстояниями D, D и D соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО.
Таким образом, в ЦПО приходят три следующих сигнала:
1) сигнал, поступивший из ОРТ1:
1
где С - 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 также можно представить в виде:
где
3) сигнал, поступивший из ОРТ3:
OPT3
3
Он отличается от сигнала S(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом  который обусловлен прохождением расстояния R, разделяющего ОРТ3 и ЦПО.
Его также можно представить в виде:
где
21
2
1
ц2
ц1
23
2
3
ц2
t
ц3
В ЦПО измеряют разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов S(t) и S(t) и разность фаз Δψ=ψ-ψ сигналов S() 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
p
21
23
p
2
1
2
3
Вторые слагаемые  и  в выражениях для Δψ и Δψ не зависят от пространственного положения объекта навигации. Они представляют собой дополнительные фазовые сдвиги сигнала с частотой ω при передаче их из соответствующих опорных точек в ЦПО. Эти фазовые сдвиги определяются взаимным расположением в пространстве ЦПО относительно опорных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, их можно рассчитать заранее и вычесть из измеренных в ЦПО разностей фаз Δψ и Δψ. Это позволяет найти разности фаз сигналов с частотой ω, формируемых в опорных точках ОРТ2 и ОРТ1 и ОРТ2 и ОРТ3, которые необходимы для нахождения разностей расстояний D-D и D-D, используемых для вычисления координат объекта навигации.
21
23
p
p
Однозначное измерение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, обслуживаемой радионавигационной системой, для которой фазовые сдвиги Δψ и Δψ сигналов разностной частоты не выходит 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 АВ и  для линии EF.
p
p
Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λ и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω.
p
1
2
Следует отметить, что само по себе снижение величины разностной частоты ω, например, путем сближения частот ω и ω высокочастотных гармонических сигналов при неизменной погрешности фазовых измерений автоматически приводит к снижению точности измерения разностей расстояний и как следствие этого - к снижению точности измерения координат.
p
n
p
p
ц1
ц2
ц3
Для предотвращения снижения точности разностей расстояний фазовые измерения в предлагаемом способе осуществляют на двух частотах: непосредственно на разностной ω и дополнительно сформированной в ЦПО масштабной ω=ω/n, частота которой выбирается в n раз меньше ω. Сигналы масштабной частоты формируют для каждого из сигналов S(t), S(t) и S(t), поступивших в центральный пункт обработки из точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3.
p
ц1
ц2
ц3
p
Учитывая, что фазовые измерения на частоте ω однозначны только в той области пространства, для которой разности расстояний, которые соответствуют сигналам S(t), S(t) и S(t), не превосходят половину длины волны сигнала разностной частоты, фактические разности фаз  для любых двух сигналов на частоте ω определяют по формулам:
p
n
p
n
где Δψ и Δψ - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ω и ω;
int(x) - целая часть аргумента x.
p
n
Коэффициент k и фактическую разность фаз  вычисляют для сигналов каждой из пар ОРТ по измеренным в ЦПО разностям фаз Δψ и Δψ.
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:
n21
n
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
23
n
- разность фаз Δψn сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3;
p21
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте  для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
p23
- разность фаз Δψ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте  для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3.
Кроме того, в расчете используют следующие константы:
1
- значение первой высокой частоты ω;
2
- значение второй высокой частоты ω;
- скорость распространения радиоволн в атмосфере С;
1
- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу С,
21
- расстояние R между второй ОРТ2 и первой ОРТ1 опорными радионавигационными точками;
23
- расстояние R между третьей ОРТ3 и второй ОРТ2 опорными радионавигационными точками;
1
2
3
- расстояния R, R и R между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 соответственно;
- коэффициент n превышения разностной частоты над масштабной.
Порядок расчета следующий.
1. Вычисляют разностную  и масштабную  частоты.
p
2. Вычисляют разности фазовых сдвигов сигналов разностной частоты ω при распространении их от опорных радионавигационных точек к ЦПО:
3. Вычисляют величины
4. Вычисляют фактические разности фаз:
5. Решают навигационную задачу - определяют координаты объекта навигации:
а) вычисляют разности расстояний от объекта навигации до опорных точек
1
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 нормируют по длинам базовых линий и вычисляют параметр γ:
в) определяют постоянные параметры:
a
21
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 решают уравнение для вычисления угла β между базовой линией R и направлением на объект навигации:
a
23
23
cos(-β)-γcosβ=b;
2
д) вычисляют расстояние D от точки ОРТ2 до объекта навигации
е) вычисляют координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:
При необходимости координаты объекта навигации пересчитывают в исходную прямоугольную систему координат
p
n
p
2
То обстоятельство, что в предлагаемом способе измерения разности фаз выполняют на двух частотах разностной ω и масштабной ω, частота которой в n раз меньше ω, позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно (примерно в n раз) расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации, по сравнению с прототипом и одновременно не ухудшить точность их измерения.
n
p
В предлагаемом способе для такого расширения частота ω выбирается достаточно низкой (исходя из размеров требуемой области определения координат), а частота ω достаточно высокой (исходя из требуемой точности их определения).
n
p
n
p
Для примера на фиг. 2 показаны две заштрихованные области пространства, ограниченные четырехугольниками ABEF и GNMK соответственно, в которых возможно однозначное определение координат объекта навигации на частотах ω и ω соответственно. Четырехугольник ABEF соответствует частоте ω, примерно в пять раз меньшей, чем четырехугольник GNMK, соответствующий частоте ω.
p
В способе-прототипе фазовые измерения выполняются только на частоте биений ω. Ее в принципе можно выбрать достаточно низкой, но это приведет к снижению точности измерения координат, которая и без того снижена из-за погрешности определения координат неподвижного передатчика.
p
n
p
n
р
В предлагаемом же способе фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω, но и на частоте ω, которая в n раз ниже ω. При этом фазовые измерения на частоте ω используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а для решения навигационной задачи используют более точные вычисленные значения фактических разностей фаз  на частоте ω. 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 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 термостабилизарованный 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 пункт обработки можно реализовать по проводным каналам либо по радиоканалам с разделением их по частоте.
Нормирование принятых в центральном пункте обработки сигналов по амплитуде осуществляется путем амплитудного ограничения принятых сигналов разностной частоты с помощью логарифмических усилителей AD8309.
Формирование сигналов масштабной частоты реализуется путем деления по частоте сигналов разностной частоты, например, с помощью делителей частоты на микросхемах К561ИЕ20 или К561ИЕ20.
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 локальных навигационных систем для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных транспортных средств на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс).