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.

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.

Функционирование способа поясняется фиг. 1, на которой показаны мобильный объект (МО) навигации, находящийся в точке с неизвестными координатами X_мо и Y_мо, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, расположенные в точках с известными координатами X₁ и Y₁, Х₂ и Y₂ и Х₃ и Y₃ соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 равны соответственно R₁, R₂ и R₃. Там же показаны расстояния D₁, D₂, D₃ между объектом навигации и опорными радионавигационными точками.

С объекта навигации в течение заданного интервала времени излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ сигнал S_MO(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с амплитудами А, частотами ω₁ и ω₂ и случайными начальными фазами φ₁ и φ₂:

Интервал времени, в течение которого излучается рассматриваемый сигнал, выбирается достаточным для выполнения фазовых измерений в ЦПО (подробнее об этом будет сказано ниже).

Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ, удаленных от объекта навигации на расстояния D₁, D₂ и D₃ соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S₁(t), S₂(t) и S₃(t) имеют следующий вид:

где С=2,9979·10⁸ м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.

В каждой из опорных радионавигационных точек из принятого сигнала S_i(t) представляющего собой сумму двух высокочастотных гармонических сигналов с частотами ω₁ и ω₂, формируют сигналы с разностной частотой (частотой биений):

Эти сигналы различаются амплитудами и временными задержками, которые определяются расстояниями D₁, D₂ и D₃ соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО.

Таким образом, в ЦПО приходят три следующих сигнала:

1) сигнал, поступивший из ОРТ1:

где С₁ - скорость распространения гармонического сигнала по проводному каналу.

Он отличается от сигнала S_OPT1(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом который обусловлен прохождением расстояния R₁, разделяющего ОРТ1 и ЦПО.

Этот сигнал можно представить в следующем виде:

где

2) сигнал, поступивший из ОРТ2:

Он отличается от сигнала S_OPT2(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом который обусловлен прохождением расстояния R₂, разделяющего ОРТ2 и ЦПО.

Этот сигнал также можно представить в виде:

где

3) сигнал, поступивший из ОРТ3:

Он отличается от сигнала S_OPT3(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом который обусловлен прохождением расстояния R₃, разделяющего ОРТ3 и ЦПО.

Его также можно представить в виде:

где

В ЦПО измеряют разность фаз Δψ₂₁=ψ₂-ψ₁ сигналов S_ц2(t) и S_ц1(t) и разность фаз Δψ₂₃=ψ₂-ψ₃ сигналов S_ц2(_t) и S_ц3(t):

Как следует из этих выражений, разности фаз Δψ₂₁ и Δψ₂₃ не зависят от начальных фаз излучаемых МО сигналов φ₁ и φ₂.

Вторые слагаемые и в выражениях для Δψ₂₁ и Δψ₂₃ не зависят от пространственного положения объекта навигации. Они представляют собой дополнительные фазовые сдвиги сигнала с частотой ω_p 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 Δψ₂₁ и Δψ₂₃. Это позволяет найти разности фаз сигналов с частотой ω_p, формируемых в опорных точках ОРТ2 и ОРТ1 и ОРТ2 и ОРТ3, которые необходимы для нахождения разностей расстояний D₂-D₁ и D₂-D₃, используемых для вычисления координат объекта навигации.

Однозначное измерение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, обслуживаемой радионавигационной системой, для которой фазовые сдвиги Δψ₂₁ и Δψ₂₃ 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_p сигнала разностной частоты ω_p. 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:

где параметр L₁ равен для линии AF и для линии BE, а параметр L₂ равен для линии АВ и для линии EF.

Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λ_p и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω_p.

Следует отметить, что само по себе снижение величины разностной частоты ω_p, например, путем сближения частот ω₁ и ω₂ 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.

Для предотвращения снижения точности разностей расстояний фазовые измерения в предлагаемом способе осуществляют на двух частотах: непосредственно на разностной ω_p и дополнительно сформированной в ЦПО масштабной ω_n=ω_p/n, частота которой выбирается в n раз меньше ω_p. Сигналы масштабной частоты формируют для каждого из сигналов S_ц1(t), S_ц2(t) и S_ц3(t), поступивших в центральный пункт обработки из точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3.

Учитывая, что фазовые измерения на частоте ω_p однозначны только в той области пространства, для которой разности расстояний, которые соответствуют сигналам S_ц1(t), S_ц2(t) и S_ц3(t), не превосходят половину длины волны сигнала разностной частоты, фактические разности фаз для любых двух сигналов на частоте ω_p определяют по формулам:

где Δψ_p и Δψ_n - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ω_p и ω_n;

int(x) - целая часть аргумента x.

Коэффициент k и фактическую разность фаз вычисляют для сигналов каждой из пар ОРТ по измеренным в ЦПО разностям фаз Δψ_p и Δψ_n.

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:

- разность фаз Δψ_n21 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_n для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;

- разность фаз Δψn₂₃ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_n для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3;

- разность фаз Δψ_p21 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;

- разность фаз Δψ_p23 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3.

Кроме того, в расчете используют следующие константы:

- значение первой высокой частоты ω₁;

- значение второй высокой частоты ω₂;

- скорость распространения радиоволн в атмосфере С;

- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу С₁,

- расстояние R₂₁ между второй ОРТ2 и первой ОРТ1 опорными радионавигационными точками;

- расстояние R₂₃ между третьей ОРТ3 и второй ОРТ2 опорными радионавигационными точками;

- расстояния R₁, R₂ и R₃ между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3 соответственно;

- коэффициент n превышения разностной частоты над масштабной.

Порядок расчета следующий.

1. Вычисляют разностную и масштабную частоты.

2. Вычисляют разности фазовых сдвигов сигналов разностной частоты ω_p 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

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;

б) ΔD₂₁ и ΔD₂₃ нормируют по длинам базовых линий и вычисляют параметр γ:

в) определяют постоянные параметры:

a=α₂₁-α₂₃; b=γΔd₂₃-Δd₂₁,

где α₂₁ - угол между осью и базовой линией R₂₁;

α₂₃ - угол между осью и базовой линией R₂₃.

г) каким-либо из численных итерационных методов решают уравнение для вычисления угла β₂₃ между базовой линией R₂₃ и направлением на объект навигации:

cos(a-β₂₃)-γcosβ₂₃=b;

д) вычисляют расстояние D₂ 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

То обстоятельство, что в предлагаемом способе измерения разности фаз выполняют на двух частотах разностной ω_p и масштабной ω_n, частота которой в n раз меньше ω_p, позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно (примерно в n² раз) расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации, по сравнению с прототипом и одновременно не ухудшить точность их измерения.

В предлагаемом способе для такого расширения частота ω_n выбирается достаточно низкой (исходя из размеров требуемой области определения координат), а частота ω_p достаточно высокой (исходя из требуемой точности их определения).

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_n и ω_p соответственно. Четырехугольник ABEF соответствует частоте ω_n, примерно в пять раз меньшей, чем четырехугольник GNMK, соответствующий частоте ω_p.

В способе-прототипе фазовые измерения выполняются только на частоте биений ω_p. 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.

В предлагаемом же способе фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω_p, но и на частоте ω_n, которая в n раз ниже ω_p. При этом фазовые измерения на частоте ω_n используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а для решения навигационной задачи используют более точные вычисленные значения фактических разностей фаз на частоте ω_р. 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).