ФАЗОРАЗНОСТНАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА С ШИРОКОПОЛОСНЫМ СИГНАЛОМ
PHASE-DIFFERENCE RADIO NAVIGATION SYSTEM WITH BROADBAND SIGNAL

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: G01S 5/02, G08G 1/12 - (UK - заявл. 17.06.88, опубл. 28.12.89)], содержащая приемник сигналов, размешенный 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, M-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 близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является система для измерения координат объекта навигации (заявка на патент №2014118209/07(028837) от 05.05.2014, решение о выдаче патента от 18.05.2015).
Система содержит размещенный на объекте навигации передатчик высокочастотных сигналов, размещенные в точках с известными координатами три приемника указанных сигналов, три измерительных канала (канала разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, выход которого является выходом измерительного канала, при этом выходы первого, второго и третьего приемников соединены с обоими входами балансного смесителя соответственно первого, второго и третьего измерительных каналов, размещенные в центральном пункте обработки три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации, 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.
Установленный на объекте навигации передатчик высокочастотных сигналов, размещенные в точках с известными координатами три приемника указанных сигналов, три измерительных канала (канала разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, выход которого является выходом измерительного канала, размещенные в центральном пункте обработки три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации являются существенными признаками и заявляемой системы.
Причинами, препятствующими обеспечению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются небольшая область пространства, в которой однозначно могут быть измерены координаты объектов навигации с заданной точностью, а также низкая защищенность системы по отношению к возможности организации умышленных помех со стороны возможного злоумышленника.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации с заданной точностью и повышение защищенности системы по отношению к возможности организации умышленных помех со стороны возможного злоумышленника.
Для достижения указанного технического результата в известную систему, содержащую установленный на объекте навигации передатчик высокочастотных сигналов, размещенные в точках с известными координатами три приемника указанных сигналов, три измерительных канала (канала разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель, узкополосный фильтр, усилитель-ограничитель и резонансный усилитель, выход которого является выходом измерительного канала, размещенные в центральном пункте обработки три фазовых детектора, три аналого-цифровых преобразователя и вычислитель координат объекта навигации, при этом 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, 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, дополнительно введены размещенные на объекте навигации опорный кварцевый генератор, первый делитель частоты, генератор двоичной псевдослучайной последовательности импульсов, два синтезатора частоты и сумматор, установленный на объекте передатчик высокочастотных сигналов содержит последовательно соединенные фазовый модулятор и усилитель, первый вход фазового модулятора является входом передатчика, выходом которого является выход усилителя, при этом выход опорного кварцевого генератора подключен к опорным входам обоих синтезаторов частоты и одновременно через делитель частоты к тактовому входу генератора двоичной псевдослучайной последовательности импульсов, выход которого соединен со вторым входом фазового модулятора передатчика, к входу которого через сумматор подключены выходы обоих синтезаторов частоты, в центральном пункте обработке дополнительно размещены второй, третий, четвертый делители частоты, а также четвертый, пятый и шестой фазовые детекторы, при этом выходы первого, второго и третьего измерительных каналов дополнительно подключены к входам соответственно второго, третьего и четвертого делителей частоты, выход второго делителя частоты подключен к первому входу четвертого и второму входу шестого фазовых детекторов, выход третьего делителя частоты подключен к первому входу пятого и второму входу четвертого фазовых детекторов, выход четвертого делителя частоты подключен к первому входу шестого и второму входу пятого фазовых детекторов, а выходы четвертого, пятого и шестого фазовых детекторов через четвертый, пятый и шестой аналого-цифровые преобразователи подключены к соответствующим дополнительным входам вычислителя координат объекта навигации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
- на фиг. 1 - структурная схема предлагаемой системы;
- на фиг. 2 - взаимное расположение мобильного объекта навигации (МО), опорных радионавигационных точек ОРТ1 - ОРТ3 и центрального пункта обработки (ЦПО);
- на фиг. 3 - зоны однозначного измерения координат для предлагаемой системы и системы-прототипа;
- на фиг. 4 - примеры временных диаграмм сигналов на входах и выходах делителей частоты;
- на фиг. 5 - спектральные диаграммы излучаемых сигналов для предлагаемой системы и системы-прототипа.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,6</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,6</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Предлагаемая система содержит размещенные на объекте навигации опорный кварцевый генератор 1, два синтезатора частоты 2.1 и 2.2, сумматор 3, первый делитель частоты 4, генератор псевдослучайной последовательности импульсов 5, передатчик высокочастотных сигналов, состоящий из фазового модулятора 6 и усилителя 7, расположенные в опорных точках с известными координатами три приемника 8.i
излученных с объекта навигации сигналов, три канала измерительных канала (каналы формирования разностной частоты), каждый из которых содержит последовательно включенные балансный смеситель 9,i
, узкополосный фильтр 10.i
, усилитель-ограничитель 11.i
, резонансный усилитель 12.i
, размещенные в центральном пункте обработки второй, третий и четвертый делители частоты 13.1, 13.2, 13.3, шесть фазовых детекторов 14.i,
, шесть аналого-цифровых преобразователей 15.i,
и вычислитель 16 координат объекта навигации.
Выход опорного кварцевого генератора 1 соединен с опорными входами синтезаторов частоты 2.1 и 2.2, а также через первый делитель частоты 4 с тактовым входом генератора двоичной псевдослучайной последовательности импульсов 5. Выходы синтезаторов частоты 2.1 и 2.2 через сумматор 3 подключены к первому входу фазового модулятора 3, второй вход которого соединен с выходом генератора двоичной псевдослучайной последовательности импульсов 5, а выход подключен к входу усилителя 7, выход которого является выходом передатчика.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Выходы каждого из приемников 8.i
соединены с обоими входами балансного смесителя 9.i
соответствующего измерительного канала. Выход резонансного усилителя 12.1 первого измерительного канала соединен с входом второго делителя частоты 13.1, первым входом первого 14.1 и вторым входом третьего 14.3 фазовых детекторов, выход резонансного усилителя 12.2 второго измерительного канала соединен с входом третьего делителя частоты 13.2, первым входом второго 14.2 и вторым входом первого 14.1 фазовых детекторов, выход резонансного усилителя 12.3 третьего измерительного канала соединен с входом четвертого делителя частоты 13.3, первым входом третьего 14.3 и вторым входом второго 14.2 фазовых детекторов. Выход второго делителя частоты 13.1 соединен с и первым входом четвертого 14.4 и вторым входом шестого 14.6 фазовых детекторов. Выход третьего делителя частоты 13.2 соединен с первым входом пятого 14.5 и вторым входом четвертого 14.4 фазовых детекторов. Выход четвертого делителя частоты 13.3 соединен с первым входом шестого 14.6 и вторым входом пятого 14.5 фазовых детекторов. Выходы всех фазовых детекторов через соответствующие аналого-цифровые преобразователи 15.1-15.6 подключены к соответствующим входам вычислителя координат объекта навигации 16.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
Функционирование системы поясняется фиг. 2, где показаны мобильный объект навигации (МО), на котором размещены опорный кварцевый генератор 1, синтезаторы частоты 2.1 и 2.2, сумматор 3, делитель частоты 4, генератор двоичной псевдослучайной последовательности импульсов 5, фазовый модулятор 6, усилитель 7, выход которого подключен к передающей антенне. В опорных радионавигационных точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, расположенных в точках с известными координатами (X, Y), (Х, Y) и (Х, Υ), размещены соответственно приемники 8.1, 8.2 и 8.3 и соответствующие измерительные каналы (каналы выделения разностной частоты). Там же показаны расстояния D, D и D между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а также направление N на север.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,6</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,6</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В центральном пункте обработки (ЦПО) размещены делители частоты 13.i
, фазовые детекторы 14.i
, аналого-цифровые преобразователи 15.i
и вычислитель координат объекта навигации 16.
0
1
0
1
ФM
0
Кварцевый генератор 1 формирует опорный гармонический сигнал, который подается на опорные входы синтезаторов частоты 2.1 и 2.2, формирующих два высокостабильных гармонических сигнала с разными, но близкими частотами ω и ω и произвольными начальными фазами φ и φ. Сформированные синтезаторами частоты сигналы через сумматор 3 поступают на первый вход фазового модулятора 6, на второй вход которого поступает двоичная псевдослучайная последовательность (ПСП) прямоугольных импульсов r(t), формируемая генератором 5, тактовый вход которого подключен к выходу делителя частоты 4. На выходе фазового модулятора 6 формируется двухчастотный фазомодулированный сигнал S (t), представляющий собой сумму двух бинарных фазомодулированных сигналов (BPSK, ФМ2) с частотами ω и ω1, которые синхронно модулированы по фазе двоичной импульсной псевдослучайной последовательностью импульсов r(t).
где А - амплитуда сигнала;
r(t) - формируемая генератором ПСП 5 двоичная импульсная псевдослучайная последовательность с одинаковыми положительными и отрицательными уровнями напряжения "+V" и "-V".
Двухчастотный фазоманипулированный сигнал с выхода фазового модулятора усиливается усилителем 7 и через антенну излучается с объекта навигации в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3.
1
2
3
Этот сигнал принимается приемниками 8.1, 8.2 и 8.3 в опорных радионавигационных точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, находящихся соответственно на расстояниях D, D и D от объекта навигации:
,
,
,
8
где с=3·10 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.
Принятые в опорных радионавигационных точках сигналы поступают на входы соответствующих измерительных каналов (каналов формирования разностных частот).
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Каждый из измерительных каналов состоит из последовательно включенных балансного смесителя 9.i
, узкополосного фильтра 10.i
, усилителя-ограничителя 11.i
и резонансного усилителя 12.i
.
i
0
1
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Принятый двухчастотный фазоманипулированный сигнал s(t) с выхода соответствующего приемника 8.i
поступает на оба входа балансного смесителя 9.i
. В нем этот сигнал, по сути, возводится в квадрат, вследствие чего происходит демодуляция бинарных фазомодулированных сигналов: они преобразуются в гармонические сигналы с частотами ω и ω и на выходе балансного смесителя формируется смесь четырех следующих сигналов:
1) сигнал с нулевой частотой (постоянная составляющая);
0
1
2) гармонические сигналы с удвоенными частотами 2ω и 2ω;
Σ
0
1
3) гармонический сигнал с суммарной частотой ω = ω + ω;
4) гармонический сигнал с разностной частотой .
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
p
0
1
0
1
р
Узкополосные фильтры 10.i
настроены на разностную частоту ω, поэтому постоянная составляющая, равно как и высокочастотные составляющие с частотами 2ω, 2ω и (ω + ω) подавляются этими фильтрами. Сигналы же с частотой ω проходят через фильтры 10.i
, усилители-ограничители 11.i
и резонансные усилители 12.i
на выходы соответствующих измерительных каналов. Усилители-ограничители 11.i
и резонансные усилители 12.i
нормируют сигналы разностной частоты по амплитуде, сохраняя их гармоническими и устраняя в то же время зависимость их амплитуды от расстояния между мобильным объектом и радионавигационными точками.
р
Таким образом, на выходах измерительных каналов в каждой из радионавигационных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 сформируются гармонические сигналы разностной частоты ω с постоянной амплитудой U:
,
,
.
1
2
3
Эти сигналы сдвинуты по фазе один относительно другого на величины ,  и , которые определяются расстояниями D, D и D соответственно.
1
2
3
Сигналы разностной частоты с выходов измерительных каналов по проводам поступают в ЦПО, получая при этом дополнительные фазовые сдвиги, величины которых зависят от расстояний R, R и R, разделяющих ЦПО и соответствующую опорную точку.
p
Следовательно, в ЦПО на входы фазовых детекторов 14.1, 14.2 и 14.3 (а также делителей частоты 13.1, 13.2 и 13.3) из опорных радионавигационных точек поступят три следующих сигнала с частотой ω:
, i=(1, 2, 3),
i
Здесь A - амплитуда соответствующего сигнала;
i
R - расстояние между опорной радионавигационной точкой OPTi и ЦПО;
ν - скорость распространения радиосигнала в линиях связи, соединяющих опорные радионавигационные точки и ЦПО;
i
- дополнительный фазовый сдвиг из-за прохождения расстояния R между ЦПО и опорной точкой OPTi.
Эти сигналы можно представить в следующем виде:
ip
i
p
i
ξ(t) = Acos(ωt + ψ),
где .
21
2
1
2р
1p
23
2
3
2p
3p
В соответствии с применяемым в системе фазовым разностно-дальномерным методом в ЦПО измеряются разности фаз сигналов, принятых в разных парах опорных радионавигационных точек. Например, для пар опорных точек ОРТ2 - ОРТ1 и ОРТ2 - ОРТ3 на выходах фазовых детекторов 14.1 и 14.2 формируются напряжения, пропорциональные разностям фаз Δψ = ψ - ψ сигналов ξ(t), ξ(t) и Δψ = ψ - ψ сигналов ξ(t), ξ(t):
,
.
21
23
0
1
0
1
Из этих выражений следует, что измеряемые разности фаз Δψ и Δψ не зависят от начальных фаз φ и φ высокочастотных сигналов с частотами ω и ω, формируемых синтезаторами частоты 2.1 и 2.2.
21
23
Исключив из последних выражений для Δψ и Δψ известные и не зависящие от координат объекта навигации фазовые сдвиги  и , получим окончательные выражения для расчета координат объекта навигации:
,
.
21
23
р
2
1
2
3
Величины Δφ и Δφ представляют собой разности фаз сигналов на частоте ω соответственно между второй-первой и второй-третьей опорными точками. Указанные разности фаз однозначно соответствуют разностям дальностей D-D и D-D соответственно.
21
23
По полученным таким путем разностям фаз Δφ и Δφ можно рассчитать координаты объекта навигации. Алгоритм расчета приводится ниже.
21
23
р
р
При этом однозначные измерения координат объекта навигации возможны только в той области пространства, для которой разности фаз Δφ и Δφ 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 λ/2 - половину длины волны сигнала разностной частоты ω. Область пространства, для которой выполняется это условие, ограничена четырехугольником GHMK, сторонами которого являются линии положения GH, НМ, MK и KG (фиг. 3), уравнения которых имеют следующий вид:
;
,
1
2
где параметр L равен  для линии GH и  для линии MK, а параметр L равен  для линии KG и  для линии НМ.
р
р
р
p
м
р
м
р
Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λ, т.е. уменьшать величину разностной частоты ω. Это приводит с снижению точности измерения координат объекта навигации, если точность фазовых измерений остается прежней. Чтобы расширить зону однозначного измерения координат и одновременно избежать снижения точности их измерения, в предлагаемой системе фазовые измерения сигналов, принятых от объекта навигации в опорных радионавигационных точках, выполняют на двух частотах - на разностной ω и на масштабной , которая в n раз (примерно на порядок) меньше ω. Для этого сформированные в опорных точках ОРТ1÷ОРТ3 сигналы  с помощью делителей частоты 13.1÷13.3 делят по частоте в n раз, в результате чего дополнительно получают еще три сигнала  с масштабной частотой ω, которые детектируются попарно фазовыми детекторами 14.4÷14.6, и совместно с соответствующими сигналами с выхода фазовых детекторов 14.1÷14.3 используются для устранения неоднозначности фазовых измерений на частоте ω путем дополнительных измерений соответствующих разностей фаз на масштабной частоте ω. Вследствие этого область однозначного определения координат расширяется до четырехугольника ABEF, и при этом точность измерения координат объекта навигации остается прежней: она определяется точностью фазовых измерений на частоте ω.
p
На фиг. 4 в качестве примера приведены временные диаграммы двух сигналов с одинаковой задержкой на разностной (диаграммы 1, 2) и масштабной (диаграммы 3, 4) частотах. Период сигналов разностной частоты  в 8 раз меньше периода масштабной частоты (т.е. коэффициент деления делителей частоты 13.1-13.3 n=8). Задержка рассматриваемых сигналов друг относительно друга одинакова Δt=2,5T, однако их фазовые сдвиги различны: на разностной частоте фазовый сдвиг составляет 5π, а на масштабной он в n раз меньше: . Следовательно, измерение разности фаз на разностной частоте неоднозначно (измеренное значение окажется равным π, тогда как фактический фазовый сдвиг равен 5π), а на масштабной однозначно: .
м
Коэффициент деления n делителей частоты 13.1÷13.3 выбирают таким образом, чтобы масштабная частота ω обеспечивала однозначность фазовых измерений в рабочей зоне системы.
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>p</mi><mi>Ф</mi></msubsup></mrow>
р
При этом для расчета координат объекта навигации используют фактические разности фаз
сигналов на разностной частоте ω, которые вычисляют на основе результатов фазовых измерений следующим образом:
,
,
м
р
м
р
где Δφ и Δφ - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ω и ω;
int(x) - целая часть аргумента х.
p
м
м
Величина k представляет собой целое число периодов сигнала с частотой ω, которое укладывается на интервале времени, соответствующем измеренной разности фаз Δφ на частоте ω.
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>p</mi><mi>Ф</mi></msubsup></mrow>
Величины коэффициентов k и фактических разностей фаз
находятся для каждой пары 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:
р
21p
23р
2р
1p
2p
3р
- измеренные в ЦПО на частоте ω разности фаз Δψ и Δψ сигналов ξ(t), ξ(t) и ξ(t), ξ(t) сигналов разностной частоты для радионавигационных точек ОРТ2 - ОРТ1 и ОРТ2 - ОРТ3;
м
21м
23м
1p
2p
3p
- измеренные в ЦПО на частоте ω разности фаз Δψ и Δψ сигналов масштабной частоты, полученных из сигналов ξ(t), ξ(t) и ξ(t) путем деления последних по частоте в n раз.
Кроме того, в расчете используются следующие параметры:
0
1
- значения частот ω и ω гармонических сигналов, формируемых первым 2.1 и вторым 2.2 синтезаторами частот;
- скорость распространения радиоволн в атмосфере, с;
- скорость распространения радиосигнала ν между опорными навигационными точками и ЦПО;
21
- расстояние R между второй и первой опорными радионавигационными точками;
23
- расстояние R между второй и третьей опорными радионавигационными точками;
1
2
3
- расстояния R, R и R между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 соответственно;
- коэффициент n деления делителей частоты 13.1÷13.3.
Порядок расчета следующий.
1. Вычисляются разностная  и масштабная  частоты.
21м
23м
м
2. Измеренные в ЦПО разности Δψ и Δψ фаз на частоте ω пересчитываются к опорным радионавигационным точкам ОРТ2 - ОРТ1 и ОРТ2 - ОРТ3:
;
.
Вычисляются величины
,
.
р
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
,
,
1
2
3
где D, D, D - расстояния от объекта навигации (МО) до первой ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей ОРТ3 опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 2;
21
23
21
23
б) ΔD и ΔD нормируются по длинам базовых линий R и R и вычисляется параметр γ:
, , ;
в) определяются вспомогательные параметры:
21
23
23
21
a=α-α; b=γ·Δd-Δd,
21
21
где α - угол между осью y и базовой линией R;
23
23
α - угол между осью y и базовой линией R;
23
23
г) каким-либо из численных итерационных методов (например, методом деления отрезка пополам) решается уравнение для вычисления угла β между базовой линией R и направлением на объект навигации:
23
23
cos(a-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:
2
23
23
X=D cos(α+β),
2
23
23
Y=D sin(α+β).
р
м
р
м
р
То обстоятельство, что в предлагаемой системе фазовые измерения выполняют на двух частотах, разностной ω и масштабной ω, позволяет сделать вывод, что использование предлагаемой системы позволяет значительно расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации по сравнению с прототипом и одновременно сохранить точность их измерения. Разностная частота ω (т.е. разнос между частотами) выбирается достаточно высокой: за счет этого обеспечивается высокая точность измерений, а масштабная ω в 5÷10 раз меньше ω, чтобы обеспечить однозначность фазовых измерений в требуемой зоне работы системы. Величина масштабной частоты задается коэффициентом деления частоты n.
p
м
р
Для расчета координат объекта навигации используются результаты более точных фазовых измерений, полученных на частоте ω, тогда как результаты измерений на масштабной частоте ω применяются лишь для устранения неоднозначности результатов фазовых измерений, полученных на частоте ω. Это позволяет расширить зону однозначного измерения координат для предлагаемой системы, сохранив при этом высокую точность измерения координат объектов навигации.
Таким образом, в предлагаемом способе сохраняются все возможности измерения координат объекта навигации, что и в системе-прототипе. Кроме того, вследствие фазовой модуляции излучаемых с объекта навигации сигналов случайной двоичной псевдослучайной последовательностью импульсов существенно расширяется их спектр.
фм
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>и</mi></msub></mrow>
Ширина спектра Δω излучаемого с объекта навигации двухчастотного фазомодулированного сигнала определяется средней длительностью импульсов
модулирующей псевдослучайной последовательности r(t).
.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>и</mi></msub></mrow>
Величина
регулируется путем выбора коэффициента деления первого делителя частоты, который определяет частоту тактовых импульсов для генератора двоичной псевдослучайной последовательности импульсов. Ширину спектра излучаемых сигналов можно увеличить в десятки-сотни раз в сравнении с прототипом, что позволяет во столько же раз уменьшить их спектральную плотность.
На фиг. 5 приведены спектральные диаграммы сигналов, излучаемых с объекта навигации для системы-прототипа (фиг. 5а) и предлагаемой системы (фиг. 5б).
0
1
0
1
При выборе средней сважности модулирующей двоичной последовательности r(t), близкой к 2 (например, если в качестве таковой использовать, например, линейную рекуррентную последовательность максимальной длины: М-последовательность), спектр излучаемых бинарных фазомодулированных сигналов будет практически сплошным и в нем будут отсутствовать спектральные составляющие с частотами ω и ω. Низкая спектральная плотность излучаемых сигналов, отсутствие в их спектре составляющих с несущими частотами в совокупности с малым временем излучения сигнала затрудняет их обнаружение и измерение величин частот ω и ω вероятным злоумышленником. Вследствие этого существенно затрудняется возможность подавления работы предлагаемой радионавигационной системы по сравнению с прототипом.
p
0
1
Помимо этого в предлагаемой системе исключена присущая системе-прототипу составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью разностной частоты ω. Для формирования гармонических сигналов с частотами ω и ω в предлагаемой системе используются два синтезатора частоты с общим опорным генератором, вследствие чего эти частоты оказываются жестко связанными друг с другом, чем устраняется причина возникновения рассматриваемой нестабильности разностной частоты. Следовательно, точность измерения координат в предлагаемой системе выше, чем в прототипе.
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 синтезаторов частоты 2.1, 2.2 можно использовать микросхему типа ADF4360-5, в качестве делителей частоты 4, 13.1 13.2, 134.3 - микросхему типа 512ПС10, в качестве фазового модулятора 6 - балансный модулятор типа RF2638. В качестве формирователя двоичной псевдослучайной последовательности генератор линейной рекуррентной последовательности на основе регистра сдвига с обратными связями на микросхемах 561ИР2, в качестве усилителя высокочастотных сигналов 7 могут быть использованы интегральные СВЧ-усилители типа SPF5122Z.
В качестве антенн можно использовать полуволновые вибраторы. В качестве сумматора 3 можно применить микрополосковый сумматор с двумя входами.
В качестве приемников 8.1, 8.2 и 8.3 сигнала можно использовать СВЧ-усилители типа SPF5122Z, в качестве фазовых детекторов 14.1-14.6 - микросхемы типа SYPD-1.
В качестве аналого-цифровых преобразователей 15.1-15.3 и вычислителя 16 можно использовать микросхемы STM32F407, содержащие два встроенных 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя и 16-разрядный микропроцессор.
Балансные смесители 9.i могут быть реализованы на транзисторах BFP620.
В качестве узкополосных фильтров 10.i можно использовать активные полосовые фильтры второго порядка на операционном усилителе AD797ANZ.
В качестве усилителей-ограничителей 11.i можно использовать логарифмический усилитель AD8309.
В качестве резонансного усилителя 12.i также можно использовать активные полосовые фильтры второго-четвертого порядка на операционных усилителях AD797ANZ.