ФАЗОРАЗНОСТНЫЙ 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 пункт обработки и измерении задержек между принятыми сигналами.

Ретрансляция сигналов на центральный пункт обработки 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 способ определения местоположения объекта навигации (заявка на патент №2014116786 от 24.04.2014, решение о выдаче патента от 05.06.2015).

Способ заключается в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек.

Такие действия, как излучение объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, прием их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формирование из них сигналов разностной частоты, передача указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерения в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, являются существенными признаками заявляемого способа.

Причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность определения координат объекта навигации в зоне обслуживания радионавигационной системы, использующей этот способ.

Размеры этой зоны обслуживания в способе-прототипе ограничены областью пространства, в которой расстояния между объектом навигации и каждой из опорных радионавигационных точек должны разниться между собой не более чем на половину длины волны сигнала с частотой, равной разности частот высокочастотных сигналов, излучаемых с объекта навигации. Только в этом случае координаты объекта навигации могут быть определены однозначно.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения координат объекта навигации и расширение области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации без снижения точности.

Для достижения указанного технического результата в известном способе определения местоположения объекта навигации, заключающемся в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, из каждого сигнала разностной частоты в центральном пункте обработки дополнительно формируют сигнал масштабной частоты, величина которой в n раз больше разностной частоты, измеряют разности фаз сигналов масштабной частоты, сформированных для разных опорных точек, а результаты измерений разностей фаз сигналов на разностной и масштабной частотах пересчитывают с учетом взаимного расположения опорных радионавигационных точек и центрального пункта обработки в координаты объекта навигации.

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_MO и Y_MO, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, расположенные в точках с известными координатами Х₁ и Y₁, X₂ и Y₂ и Х₃ и Y₃ соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 равны соответственно R₁, R₂ и R₃. Там же показаны расстояния D₁, D₂, D₃ между объектом навигации и опорными радионавигационными точками.

С объекта навигации излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 сигнал S_MO(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с частотами ω₁ и ω₂:

S_MO(t)=A[cos(ω₁t+φ₁)+cos(ω₂t+φ₂)].

Эти сигналы излучают в течение промежутка времени, достаточного для осуществления фазовых измерений этих сигналов (эти измерения осуществляют в ЦПО, подробнее об этом будет сказано ниже). Указанные сигналы имеют амплитуды А и начальные случайные фазы φ₁ к φ₂.

Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, 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 ω_р=|ω₁-ω₂| (частотой биений):

Эти сигналы различаются амплитудами и фазами, которые определяются расстояниями D₁, D₂ и D₃ соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО. Таким образом, в ЦПО принимают три следующих сигнала:

1) сигнал, поступивший из ОРТ1:

где ν - 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:

s_Ц1(t)=A_Ц1cos[ω_pt+ψ₁],

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:

s_Ц2(t)=A_Ц2Cos[ω_pt+ψ₂],

где ;

3) сигнал, поступивший из OPT3:

Он отличается от сигнала S_OPT3(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом , который обусловлен прохождением расстояния R₃, разделяющего OPT3 и ЦПО.

Этот сигнал также можно записать в виде:

S_Ц3(t)=A_Ц3cos[ω_pt+ψ₃],

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 уравнениях для разностей фаз Δψ₂₁ и Δψ₂₃ представляют собой фазовые набеги сигналов разностной частоты при их распространении из опорных радионавигационных точек к ЦПО. Они не зависят от пространственного положения объекта навигации и полностью определяются лишь расположением ЦПО относительно точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3. Эти величины можно рассчитать заранее.

Из измеренных в ЦПО разностей фаз Δψ₂₁ и Δψ₂₃ вычитают указанные выше фазовые набеги и . В результате находят разности фаз сигналов разностной частоты для опорных точек ОРТ2 и ОРТ1, а также ОРТ2 и OPT3 с учетом фазовых набегов. Эти разности фаз используются для вычисления разности дальностей D₂-D₁ и D₂-D₃, которые, в свою очередь, используют для вычисления координат объекта навигации.

Однозначное определение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, для которой разности фаз Δψ₂₁ и Δψ₂₃ сигналов разностной частоты 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 половину длины волны λ_р сигнала разностной частоты ω_р. 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_р и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω_р. Следует отметить, что этот путь расширения области однозначного определения координат ведет к снижению точности определения координат.

Для предотвращения снижения точности определения координат в предлагаемом способе для сигналов, поступивших в ЦПО из разных из пар ОРТ, фазовые измерения осуществляют на двух частотах - на разностной ω_р и на масштабной ω_м, которая в n раз (примерно на порядок) превышает разностную. Для этого поступившие в ЦПО сигналы s_Ц1(t)÷s_Ц3(t) умножают по частоте в n раз, в результате чего дополнительно получают еще три сигнала с масштабной частотой ω_м.

При этом непосредственные фазовые измерения однозначны только на разностной частоте ω_р, а на масштабной частоте ω_м результаты непосредственных фазовых измерений неоднозначны. Для расчета координат объекта навигации используют фактические разности фаз Δψ^Ф сигналов на масштабной частоте ω_м для двух разных ОРТ, которые вычисляют на основе результатов фазовых измерений следующим образом:

где и - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ω_м и ω_р;

int(x) - целая часть аргумента х.

Величина k представляет собой целое число периодов сигнала с частотой ω_м, которое укладывается на интервале времени, соответствующем измеренной разности фаз на частоте ω_р.

Величины коэффициентов k и фактических разностей фаз Δψ^Ф 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:

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

- разность фаз сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_р для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3;

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

- разность фаз сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_м для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3.

Кроме того, в расчете используются следующие параметры:

- значение первой высокой частоты ω₁;

- значение второй высокой частоты ω₂,

- скорость распространения радиоволн в атмосфере с;

- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу ν;

- расстояние R₂₁ между второй и первой опорными радионавигационными точками;

- расстояние R₂₃ между второй и третьей опорными радионавигационными точками;

- расстояния R₁, R₂ и R₃ между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 соответственно;

- коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной.

Порядок расчета следующий.

1. Вычисляются разностная и масштабная частоты ω_р=|ω₁-ω₂| и ω_м=n·ω_р.

2. Вычисляются величины

3. Вычисляются фактические разности фаз сигналов для пар точек ОРТ2-ОРТ1 и ОРТ2-OPT3 на частоте ω_м:

4. Решается навигационная задача - определяются координаты объекта навигации:

а) 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 OPT3 опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 1;

б) ΔD₂₁ и ΔD₂₃ нормируются по длинам базовых линий, и вычисляется параметр γ:

в) определяются постоянные параметры:

где α₂₁ - угол между осью и базовой линией R₂₁;

α₂₃ - угол между осью и базовой линией R₂₃;

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

cos(α-β₂₃)-γcosβ₂₃=b;

д) вычисляется расстояние D₂ от точки ОРТ2 до объекта навигации

е) 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

То обстоятельство, что в предлагаемом способе используют масштабную частоту ω_м, а фазовые измерения выполняют на двух частотах, позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно 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 достаточно выбрать частоту ω_р достаточно низкой, а коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной достаточно высоким.

Для примера на фиг. 2 показаны две заштрихованные области пространства, ограниченные четырехугольниками ABEF и GNMK соответственно, в которых возможно однозначное определение координат объекта навигации. Четырехугольник ABEF соответствует частоте биений, примерно в пять раз меньшей, чем четырехугольник GNMK.

В способе-прототипе частота биений выбирается достаточно низкой, например равной ω_р, чтобы обеспечить однозначность фазовых (и соответственно координатных) измерений во всей зоне обслуживания радионавигационной системы. Это обстоятельство не позволяет при ограниченной точности фазовых измерений получить высокую точность определения координат объекта навигации.

В предлагаемом же способе, фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω_р, а и на частоте ω_м, которая в n раз (примерно на порядок) выше ω_р, при этом измерения на частоте ω_р используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а окончательные фазовые измерения осуществляются именно на более высокой частоте ω_м, вследствие чего при той же относительной ошибке фазовых измерений абсолютная ошибка уменьшается в n раз.

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 приемный пункт 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.

Умножение частоты ω_р можно реализовать путем жесткого амплитудного ограничения гармонического сигнала с частотой ω_р с последующей частотной фильтрацией требуемой гармоники либо на основе схем с фазовой автоподстройкой частоты, в которой в качестве опорного сигнала используется гармонический сигнал с частотой ω_p.

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 микопроцессора типа STM, в котором реализуется решение навигационной задачи по приведенному выше алгоритму.

Способ может найти применение при построении локальных навигационных систем 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, на сортировочных горках железнодорожных станций, для автоматизированного управления сельскохозяйственными машинами).