ЛОКАЛЬНАЯ ФАЗОВАЯ РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА

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, размещенный 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 управления, не менее четырех приемных пунктов, М передатчиков, приемные и передающие антенны, блоки измерения задержки, приемники.

Передатчики и приемники являются существенными признаками в заявляемой системе.

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 близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является обращенная разностно-дальномерная радионавигационная система [Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Советское радио, 1979, с. 97-100].

Эта система содержит четыре передатчика высокочастотных гармонических сигналов и не менее пяти приемников этих сигналов. Один из передатчиков установлен на подвижном объекте навигации, второй - на неподвижном объекте, остальные передатчики и приемники установлены в опорных навигационных точках с известными координатами.

Передатчики высокочастотных гармонических сигналов и их приемники являются существенными признаками в заявляемой системе.

Причиной, препятствующей обеспечению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с определенной погрешностью, что приводит к снижению точности измерения координат объекта навигации.

Еще одной причиной, препятствующей достижению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость непрерывного излучения сигнала неподвижным передатчиком. Это ухудшает условия электромагнитной совместимости аппаратуры системы. Возникает необходимость приема и передачи двух сигналов с близкими частотами, что ухудшает условия обеспечения информационной безопасности аппаратуры системы и облегчает возможность подавления ее работы потенциальным злоумышленником. Указанные обстоятельства существенно снижают помехозащищенность системы.

Третьей причиной, препятствующей достижению в системе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются небольшие размеры области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации с приемлемой точностью. Размеры этой области пространства в системе-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 сигналов, излучаемых объектом навигации и передатчиком, установленным в неподвижной точке.

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

Для достижения указанного технического результата в известной системе для измерения координат объекта навигации, содержащей первый передатчик высокочастотного гармонического сигнала, установленный на объекте навигации, второй передатчик высокочастотного гармонического сигнала, отличающийся по частоте от первого на величину частоты биений, и три приемника этих сигналов с антеннами, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, второй передатчик установлен, как и первый, на объекте навигации, при этом оба передатчика подключены к общей передающей антенне, в систему дополнительно введены три канала проводной связи опорных радионавигационных точек с центральным пунктом обработки сигналов и размещенное в центральном пункте обработки сигналов измерительно-вычислительное устройство, содержащее три усилителя-ограничителя, три делителя частоты, шесть фазовых детекторов, шесть аналого-цифровых преобразователей и вычислитель координат объекта навигации, при этом выходы первого, второго и третьего приемников через проводные каналы связи соединены со входами соответствующих усилителей-ограничителей, выходы которых соединены соответственно со входами первого, второго и третьего делителей частоты и одновременно с первыми входами первого, второго и третьего фазовых детекторов, выходы первого, второго и третьего делителей частоты соединены соответственно с первыми входами четвертого, пятого и шестого фазовых детекторов, при этом второй вход второго фазового детектора соединен с выходом первого усилителя-ограничителя, второй вход третьего фазового детектора соединен с выходом второго усилителя-ограничителя, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом третьего усилителя-ограничителя, второй вход четвертого фазового детектора соединен с выходом третьего делителя частоты, второй вход пятого фазового детектора соединен с выходом первого делителя частоты, второй вход шестого фазового детектора соединен с выходом второго делителя частоты, а выходы всех фазовых детекторов через аналого-цифровые преобразователи подключены к соответствующим входам вычислителя координат объекта навигации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:

- на фиг. 1 - структурная схема предлагаемой системы;

- на фиг. 2 - структурная схема приемника;

- на фиг. 3 - взаимное расположение объекта навигации, опорных радионавигационных точек с приемниками и центрального пункта обработки (ЦПО);

- на фиг. 4 - зона однозначного определения координат объекта навигации.

Система для измерения координат объекта навигации содержит два расположенных на объекте навигации передатчика 1.1 и 1.2 высокочастотных гармонических сигналов с общей передающей антенной 2, три приемника 3.1, 3.2 и 3.3 этих сигналов с приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3, установленных в опорных радионавигационных точках с известными координатами, три канала проводной связи 5.1, 5.2 и 5.3 опорных радионавигационных точек с ЦПО и установленное в ЦПО измерительно-вычислительное устройство, содержащее три усилителя-ограничителя 6.1, 6.2 и 6.3, три делителя частоты 7.1, 7.2 и 7.3, шесть фазовых детекторов 8.1, 8.2…8.6, шесть аналого-цифровых преобразователей 9.1, 9.2…9.6 и вычислитель 10 координат объекта навигации.

Каждый из приемников 3.1, 3.2 и 3.3 с антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 содержит последовательно включенные двухчастотный усилитель 11 и формирователь частоты биений, состоящий из последовательно включенных балансного модулятора 12, оба входа которого соединены с выходом двухчастотного усилителя 11, узкополосного фильтра 13 и резонансного усилителя 14, настроенного на частоту биений (фиг. 2).

Выходы приемников 3.1,3.2 и 3.3 через каналы 5.1, 5.2 и 5.3 проводной связи соединены соответственно со входами усилителей-ограничителей 6.1, 6.2 и 6.3. Выход усилителя-ограничителя 6.1 соединен со входом делителя 7.1 частоты, а также с первым входом фазового детектора 8.1 и вторым входом фазового детектора 8.3, выход усилителя-ограничителя 6.2 соединен со входом делителя 7.2 частоты, а также с первым входом фазового детектора 8.3 и вторым входом фазового детектора 8.5, выход усилителя-ограничителя 6.3 соединен со входом делителя 7.3 частоты, а также с первым входом фазового детектора 8.5 и вторым входом фазового детектора 8.1, выход делителя 7.1 частоты соединен с первым входом фазового детектора 8.2 и вторым входом фазового детектора 8.4, выход делителя 7.2 частоты соединен с первым входом фазового детектора 8.4 и вторым входом фазового детектора 8.6, выход делителя 7.3 частоты соединен с первым входом фазового детектора 8.6 и вторым входом фазового детектора 8.2. Выходы всех фазовых детекторов 8.1,8.2…8.6 через аналого-цифровые преобразователи 9.1,9.2…9.6 подключены к соответствующим входам вычислителя 10 координат объекта навигации.

Функционирование системы поясняется фиг. 3, на которой показаны мобильный объект навигации (МО) с передатчиками 1.1 и 1.2 и общей передающей антенной 2, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ с приемниками 3.1, 3.2 и 3.3 и приемными антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 расположены в точках с известными координатами X₁ и Y₁, Х₂ и Y₂ и Х₃ и Y₃ соответственно. Там же показаны расстояния D₁, D₂ и D₃ между объектом навигации и опорными радионавигационными точками, а также расстояния R₁, R₂ и R₃ между этими точками и ЦПО.

Передатчики 1.1 и 1.2 генерируют высокочастотные гармонические сигналы с частотами ω₁ и ω₂ соответственно. С помощью общей антенны 2 в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ излучается сумма этих двух сигналов:

Эти сигналы излучаются в течение промежутка времени, достаточного для осуществления фазовых измерений этих сигналов, которые осуществляются в ЦПО, о чем подробнее будет сказано ниже. Сигналы имеют одинаковые амплитуды А и случайные начальные фазы φ₁ и φ₂.

С помощью приемников 3.1, 3.2 и 3.3 с антеннами 4.1, 4.2 и 4.3 эти сигналы принимаются в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, находящихся на расстояниях D₁, D₂ и D₃ от объекта навигации соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы имеют вид:

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

В каждом из приемников 3.1, 3.2 и 3.3 через двухчастотный усилитель 11 сигналы поступают в формирователь частоты биений, представляющий собой совокупность последовательно включенных балансного модулятора 12, узкополосного фильтра 13 и резонансного усилителя 14, настроенного на частоту биений.

Сигнал S_i(t) ( ) поступает на оба входа балансного модулятора 12. В нем сигнал, по сути, возводится в квадрат, и на выходе каждого балансного модулятора 12 формируется сумма четырех сигналов:

На выходе балансного модулятора 12 формируются сигнал нулевой частоты (постоянная составляющая ), три высокочастотных гармонических сигнала с частотами, равными 2ω₁, 2ω₂ и (ω₁+ω₂), а также гармонический сигнал с разностной частотой ω_р=|ω₁-ω₂|.

Узкополосный фильтр 13 и резонансный усилитель 14 настроены на разностную частоту ω_р. Постоянная составляющая , как и высокочастотные составляющие с частотами 2ω₁, 2ω₂ и (ω₁+ω₂), подавляются фильтром 13, а сигнал разностной частоты проходит через него, усиливается усилителем 14 и по проводным линиям связи 5.i поступает на входы усилителей-ограничителей 6.i измерительно-вычислительного устройства, размещенного в ЦПО.

Усилители-ограничители в 6.i осуществляют нормирование сигналов разностной частоты по амплитуде, чтобы исключить зависимость амплитуды сигналов разностной частоты от расстояний между мобильным объектом и радионавигационными точками. При этом временные и фазовые соотношения между рассматриваемыми сигналами не изменяются.

Таким образом, на выходах усилителей-ограничителей 6.1, 6.2 и 6.3 из сигналов разностной частоты, поступивших из опорных радионавигационных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, формируются сигналы прямоугольной формы разностной частоты ω_р с постоянной амплитудой А:

где - знаковая функция;

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

С₁ - скорость распространения сигнала в проводных линиях, соединяющих ЦПО и ОРТ.

Сигнал характеризуется основным фазовым сдвигом , обусловленным прохождением расстояния D₁ от МО до ОРТ1, и дополнительным фазовым набегом , обусловленным прохождением расстояния R₁, разделяющего ОРТ1 и ЦПО.

Аналогично сигнал характеризуется основным фазовым сдвигом , обусловленным прохождением расстояния D₂ от МО до ОРТ2, и дополнительным фазовым набегом , обусловленным прохождением расстояния R₂, разделяющего ОРТ2 и ЦПО.

Сигнал также характеризуется основным фазовым сдвигом , обусловленным прохождением расстояния D₃ от МО до ОРТ3, и дополнительным фазовым набегом , обусловленным прохождением расстояния R₃, разделяющего ОРТ3 и ЦПО.

Поступившие в ЦПО сигналы , и можно записать в виде:

где

В ЦПО с помощью измерительно-вычислительного устройства, а именно с помощью фазовых детекторов 8.1…8.6, аналого-цифровых преобразователей 9.1…9.6 и вычислителя 10 измеряют разность фаз Δψ₂₁=ψ₂-ψ₁ сигналов и и разность фаз Δψ₂₃=ψ₂-ψ₃ сигналов и :

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 ОРТ3. 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 ОРТ3 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. 4), 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.

Для предотвращения снижения точности в предлагаемой системе фазовые измерения осуществляют на двух частотах. Для этого из сигналов , и , поступивших в ЦПО из точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТ3, с помощью делителей 7.1, 7.2 и 7.3 частоты дополнительно формируют сигналы масштабной частоты ω_n=ω_ð/n, меньшей разностной частоты в n раз.

Учитывая, что сама по себе частота ω_р однозначно определить фактическую разность фаз не позволяет, фактическую разность фаз Δψ^Ф для любых двух сигналов на частоте ω_ð определяют по формулам:

где Δψ_р и Δψ_n - разности фаз сигналов, измеренные непосредственно в ЦПО на частотах ω_р и ω_n;

int(х) - целая часть аргумента х.

Коэффициент k и фактическую разность фаз Δψ^Ф вычисляют для каждой из пар ОРТ по измеренным в ЦПО разностям фаз Δψ_ð 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 Δψ₂₁ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_n для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;

- разность фаз Δψ_n23 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_n для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТ3;

- разность фаз Δψ_ð21 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_ð для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;

- разность фаз Δψ_ð23 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω_ð 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 C;

- 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 ω_p=|ω₁-ω₂| и масштабную частоты.

2. Вычисляют разности фазовых набегов 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. 3;

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

в) определяют постоянные параметры:

а=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(а-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:

В предлагаемой системе исключена присущая системе-прототипу составляющая погрешности, обусловленная погрешностью определения координат неподвижного передатчика второго гармонического высокочастотного сигнала. В предлагаемой системе оба передатчика размещены на мобильном объекте, и для излучения сигналов используется одна и та же антенна, вследствие чего устраняется причина возникновения рассматриваемой дополнительной составляющей погрешности при измерении координат мобильного объекта. Следовательно, точность измерения координат в предлагаемой системе выше, чем в прототипе.

Кроме того, в предлагаемой системе отсутствует необходимость в непрерывном излучении второго гармонического сигнала, поскольку он может излучаться лишь в промежутки времени, когда осуществляется измерение разностей фаз сигналов разностной частоты. Это время не превышает долей миллисекунды. Малое время излучения сигнала затрудняет его обнаружение, а следовательно, и подавление потенциальным злоумышленником. Это значительно повышает помехоустойчивость заявляемой системы по сравнению с прототипом.

То обстоятельство, что в предлагаемой радионавигационной системе для измерения разности фаз сигналов помимо разностной частоты формируется дополнительная масштабная частота, в n раз меньшая разностной, 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 предлагаемой системе для такого расширения достаточно выбрать частоту ω_n достаточно низкой, а частоту ω_ð достаточно высокой.

Для примера на фиг. 4 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 системе-прототипе частота биений не изменяется в процессе фазовых измерений. Ее в принципе можно выбрать достаточно низкой, например равной ω_n предлагаемой системы, но она в этом случае должна оставаться такой в процессе всех фазовых измерений, а это приведет к снижению точности измерения координат, которая и без того недостаточно высока из-за погрешности определения координат неподвижного передатчика.

В предлагаемой же системе фазовые измерения осуществляются не только на частоте ω_n, а и на частоте ω_р, которая в n раз больше, причем окончательные фазовые измерения осуществляются именно на этой более высокой частоте. При этом измерения на частоте ω_n используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений. По сравнению с прототипом точность определения координат в предлагаемом способе не снижается, а повышается за счет исключения погрешности определения координат неподвижного передатчика.

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 передатчиков 1.1 и 1.2 сигнала могут быть использованы интегральные СВЧ-усилители типа SPF5122Z, к входам которых подключены синтезаторы частоты типа ADF4360-5.

В качестве антенны 2 может служить полуволновый вибратор, к входу которого подключен микрополосковый сумматор с двумя входами.

Каждый из приемников 3.1, 3.2 и 3.3 сигнала может быть реализован как совокупность последовательно включенных двухчастотного СВЧ-усилителя типа SPF5122Z, балансного модулятора на транзисторах BFP620, узкополосного фильтра на микрополосковых линиях и резонансного усилителя, в качестве которого может быть использован активный полосовой фильтр второго порядка на операционном усилителе AD797ANZ.

В качестве приемных антенн 4.1, 4.2 и 4.3 используются полуволновые вибраторы.

В качестве усилителей-ограничителей 6.1, 6.2 и 6.3 можно использовать логарифмические усилители AD8309.

Делители частоты 7.1, 7.2, 7.3 могут быть реализованы на микросхемах К561ИЕ20.

В качестве фазовых детекторов 8.1…8.6 могут быть использованы микросхемы типа SYPD-1.

В качестве аналого-цифровых преобразователей 9.1…9.6 могут быть использованы микросхемы ADS1210 с источником опорного напряжения AD780.

В качестве вычислителя 10 может быть использован 16-разрядный микропроцессор STM32F407.