СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НАВИГАЦИИ

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.

Такое действие, как определение направления на источник излучения, является существенным признаком и заявляемого способа.

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 приемный пункт и измерении задержек между принятыми сигналами.

Ретрансляция сигналов на центральный приемный пункт является существенным признаком и заявляемого способа.

Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах, защищенных патентами РФ, технического результата, обеспечиваемого изобретением, 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.

Такие действия, как излучение высокочастотных гармонических сигналов объектом навигации и прием излучаемых гармонических высокочастотных сигналов в опорных радионавигационных точках с известными координатами являются существенными признаками и заявляемого способа.

Причиной, препятствующей достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с некоторой погрешностью, что приводит в конечном итоге к снижению точности измерения координат объекта навигации.

Еще одной причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, 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 потенциальным злоумышленником. Указанные обстоятельства существенно снижают помехозащищенность устройств, реализующих данный способ.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения местоположения объекта навигации и помехозащищенности устройств, реализующих предлагаемый способ.

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, отличающийся по частоте от первого на заданную величину, в каждой из указанных опорных радионавигационных точек принимают этот сигнал, как и первый, формируют из принятых сигналов сигналы разностной частоты, передают сформированные сигналы в центральный приемный пункт, где измеряют разность фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных точек, а результаты этих измерений с учетом взаимного расположения центрального приемного пункта и опорных точек пересчитывают в координаты объекта навигации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:

- на фиг. 1 - взаимное положение объекта навигации и трех опорных радионавигационных точек;

- на фиг. 2 - структура формирователя сигнала разностной частоты.

Способ реализуется с помощью трех опорных радионавигационных точек с известными координатами и объекта навигации.

Функционирование способа поясняется фиг. 1, на которой показаны мобильный объект навигации (МО), находящийся в точке с неизвестными координатами X и Y, и опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, расположенные в точках с известными координатами X₁ и Y₁, X₂ и Y₂ и X₃ и Y₃ соответственно. Там же показаны расстояния D₁, D₂, D₃ между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а также направление N на север.

С помощью передатчика объекта навигации излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с частотами f₀ и f₁:

Эти сигналы имеют амплитуды A и начальные случайные фазы φ₀ и φ₁.

Эти сигналы принимаются в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 на расстояниях D₁, D₂ и D₃ соответственно от объекта навигации:

где C=3·10⁸ м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.

В каждой из опорных радионавигационных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 формируют сигналы разностной частоты.

Структура формирователя сигналов разностной частоты приведена на фиг. 2. Он представляет собой последовательно включенные перемножитель и узкополосный низкочастотный полосовой фильтр.

В каждой из опорных радионавигационных точек сигнал представляющий собой сумму двух высокочастотных гармонических сигналов с частотами f₀ и f₁, поступает на оба входа перемножителя.

На выходе перемножителя формируется сумма постоянного напряжения и четырех гармонических сигналов с частотами 2f₀, 2f₁ и f₀+f₁ и разностной частотой f_p=f₀-f₁ (частотой биений). Все эти гармонические сигналы, за исключением сигнала с частотой биений, подавляются фильтром.

Сигналы разностной частоты, формируемые в каждой из опорных радионавигационных точек имеют вид:

Нетрудно видеть, что сигналы, формируемые в каждой из опорных радионавигационных точек, различаются по фазам, которые определяются расстояниями D₁, D₂ и D₃ соответственно. Эти сигналы передаются в центральный приемный пункт. В качестве такового может быть использована, например, одна из опорных радионавигационных точек. Примем для определенности, что территориально центральный приемный пункт находится в точке ОРТ2.

Таким образом, на центральном приемном пункте принимаются три следующих сигнала:

1) сигнал, поступивший из ОРТ1

Он отличается от сигнала амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом который обусловлен прохождением расстояния R₂₁, разделяющего ОРТ1 и центральный приемный пункт (в рассматриваемом случае точку ОРТ2).

Этот сигнал можно представить в следующем виде:

где

2) сигнал, непосредственно принятый в точке ОРТ2 (центральном приемном пункте)

В данном случае A₂₂=А₂, а дополнительный фазовый сдвиг отсутствует, поскольку расстояние между точкой ОРТ2 и центральным приемным пунктом равно нулю.

Этот сигнал также можно представить в виде

где

3) сигнал, поступивший из ОРТ3

Этот сигнал также можно записать в виде:

где Исправить в этой формуле индекс: было а надо !!!

Найдем разность фаз сигналов и и разность фаз сигналов и

Из этих выражений следует, что в этих разностях отсутствуют случайные фазовые сдвиги φ₀ и φ₁.

Исключив из последних выражений для Δψ₂₁ и Δψ₂₃ известные фазовые сдвиги и получим окончательные выражения для расчета неизвестных координат объекта навигации разности Δφ₂₁ фаз сигналов разностной частоты, сформированных второй и первой опорными точками, а также для расчета разности Δφ₂₃ фаз сигналов разностной частоты, сформированных второй и третьей опорными точками:

Таким образом, параметр Δφ₂₁ представляет собой разность фаз сигналов разностной частоты между второй и первой опорными точками, а параметр Δφ₂₃ - между второй и третьей опорными точками. Указанные разности фаз однозначно соответствуют разностям дальностей D₂-D₁ и D₂-D₃ соответственно.

Это позволяет сделать вывод, что по результатам измерений параметров Δφ₂₁ и Δφ₂₃ могут быть рассчитаны параметры D₁, D₂ и D₃ - расстояния между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а следовательно и координаты объекта навигации.

Ниже приведен алгоритм пересчета результатов измерения разности фаз сигналов разностной частоты 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:

- разность Δφ₂₁ фаз сигналов разностной частоты для первой и второй радионавигационных точек;

- разность Δφ₂₃ фаз сигналов разностной частоты для третьей и второй радионавигационных точек.

Кроме того, в расчете используются следующие константы:

- значение первой высокой частоты f₀;

- значение второй высокой частоты f₁;

- скорость распространения радиоволн в атмосфере C;

- расстояние между первой и второй опорными радионавигационными точками R₂₁;

- расстояние между третьей и второй опорными радионавигационными точками R₂₃.

Порядок расчета следующий.

1. Вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точек

Здесь D₁, D₂, D₃ - расстояния от объекта навигации (МО) до первой ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей ОРТ3 опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 1.

2. Нормируются величины ΔD₂₁ и ΔD₂₃ по длинам базовых линий и вычисляется параметр γ:

3. Определяются постоянные параметры:

где α₂₁ - угол между направлением на север и базовой линией R₂₁;

α₂₃ - угол между направлением на север и базовой линией R₂₃.

4. Составляется уравнение для расчета угла β₂₃ между базовой линией R₂₃ и направлением на объект навигации:

Это уравнение решается относительно угла β₂₃ каким-либо из численных итерационных методов, например методом деления отрезка пополам.

5. Вычисляются координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:

При необходимости координаты объекта навигации пересчитываются в исходную прямоугольную систему координат;

Таким образом, в предлагаемом способе исключена присущая способу-прототипу составляющая погрешности определения координат неподвижного передатчика второго гармонического высокочастотного сигнала. В предлагаемом способе этот передатчик не используется, а используется тот же передатчик, что и для первого гармонического сигнала. Следовательно, точность измерения координат в предлагаемом способе существенно выше, чем в прототипе.

Кроме того, в предлагаемом способе отсутствует необходимость в непрерывном излучении второго гармонического сигнала, поскольку он может излучаться лишь в промежутки времени, достаточные для измерения разности фаз сигналов разностной частоты. Это время не превышает долей миллисекунды. Малое время излучения сигнала затрудняет его обнаружение, а следовательно, и подавление потенциальным противником. Это значительно повышает помехоустойчивость аппаратуры, реализующей способ, по сравнению с прототипом.

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 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, позволяющие 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 навигационных точках можно использовать интегральные СВЧ-усилители - микросхемы типа SPF5122Z, для нормировки принятых сигналов по амплитуде логарифмический усилитель AD8309, в качестве узла формирования сигнала разностной частоты - смеситель на транзисторе BFP620, нагрузкой которого является фильтр нижних частот с частотой среза, равной разностной частоте. Передачу сигналов разностной частоты из опорных навигационных точек в центральный приемный пункт можно реализовать либо по проводным каналам (при небольших расстояниях между опорными навигационными точками и центральным приемным пунктом - порядка 100 м), либо по радиоканалам с разделением их по частоте (при более значительных расстояниях между опорными навигационными точками и центральным приемным пунктом).

Выделение разности фаз сигналов разностной частоты в центральном приемном пункте реализуется на основе фазового детектора (например, на микросхеме SYPD-1 или подобной).

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 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).