Способ определения относительного местоположения n объектов

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам определения относительного местоположения объектов, основанных на измерении времени распространения и направления прихода сигналов, и позволяет сократить время определения местоположения. На каждом объекте формируют и излучают сигнал, который является запросно-ответным для следующего объекта и ответным для остальных, причем следующему объекту передают инициативу формирования следующего сигнала. На каждом объекте измеряют задержку между моментом излучения сигнала и моментами прихода сигналов остальных объектов, а также направление прихода этих сигналов. По измеренным задержкам и направлениям на каждом объекте вычисляют дальности до остальных объектов. Цель изобретения - сокращение времени определения местоположения - достигается за счет оптимизации порядка излучения запросно-ответных сигналов. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в группе из n объектов для определения на каждом из них относительного местоположения остальных объектов. Целью изобретения является сокращение длительности цикла определения местоположения за счет оптимизации порядка излучения запросно-ответных сигналов. На фиг. 1 показан граф связей в группе из четырех объектов (в качестве примера); на фиг. 2 взаимное расположение четырех объектов; на фиг. 3 временная диаграмма запросов и ответов в группе из четырех объектов; на фиг. 4 временная диаграмма запросов и ответов в группе из четырех объектов при использовании псевдослучайной последовательности (ПСП) в качестве дальномерного кода; на фиг. 5 структурная схема устройства, размещенного на каждом объекте, при реализации способа определения относительного местоположения. Устройство, показанное на фиг. 5, содержит три размещенных в пространстве антенны 1 3, три антенных коммутатора 4 6, три приемника 7 9, блок 10 измерения разности задержек, дешифратор 11 управляющего слова, синхронизатор 12, генератор 13 ПСП, блок 14 измерения временных задержек, вычислитель 15 дальности и относительного угла, индикатор 16 местоположения, шифратор 17 управляющего слова и передатчик 18. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Согласно способу на первом объекте (фиг. 3а, 4а) формируют запросный сигнал, в котором указывают адрес этого объекта, а также адреса остальных объектов, причем адресу второго объекта (фиг. 3б, 4б) присваивают признак передачи инициативы формирования следующего запросно-ответного сигнала. На втором объекте принимают этот сигнал, обрабатывают его и формируют следующий запросно-ответный сигнал, как показано с помощью графа на фиг. 1. Сигнал, излученный вторым объектом, принимают на всех остальных объектах, в частности, в группе из четырех объектов этот сигнал принимают на первом, третьем и четвертом объектах. На первом объекте измеряют задержку t₁₂ от момента излучения сигнала первым объектом до окончания обработки на нем ответного сигнала от второго объекта. По измеренному времени t₁₂ определяют время распространения сигнала τ₁₂ между первым и вторым объектами τ₁₂= τ_ОБР (1) где τ_обр- время обработки сигнала, известное и одинаковое для всех объектов. По времени распространения определяют дальность от первого до второго объекта по формуле D₁₂ τ₁₂˙c (2) где с скорость распространения сигнала. Во время приема сигналов на каждом объекте определяют направление их прихода одним из известных методов, например пеленгационным. В сигнале, излученном вторым объектом, признак передачи инициативы присваивают третьему объекту (фиг. 3в, 4в). Запросно-ответный сигнал от третьего объекта принимают и обрабатывают на первом, втором и четвертом объектах. Признака передачи инициативы в этом сигнале присвоен четвертому объекту (фиг. 3г, 4г) и т.д. В сигнале, излученном n-м объектом, признак передачи инициативы присваивают первому объекту, в результате чего цикл повторяется. Взаимное расположение группы из четырех объектов показано на фиг. 2. Из геометрических соотношений следует, что D₂₃² D₁₃² 2D₁₂D₁₃cosα₁²³+ D₁₂², (3) где α₁²³- угол между направлением от первого объекта на второй и третий объекты: D₂₃ D₂₃₁ D₁₃. (4) При подстановке (4) в (3) получаем (D₂₃₁ D₁₃)² D₁₃² 2D₁₂D₁₃ x xcosα₁²³+ D₁₂², (5) откуда следует D₁₃= (6)
Учитывая связь между дальностью и временем распространения сигнала, можно записать
D₁₃= · c
(7)
Время распространения сигнала от второго объекта до третьего и от третьего до первого можно представить в следующем виде
-
(8)
Подставляя (8) в (7), можно получить
D₁₃=
(9)
По этой формуле определяют дальность от первого до третьего объекта с использованием измеренных на первом объекте значений t₁₃ и t₁₂ интервалов времени от момента излучения первым объектом запросного сигнала до моментов окончания обработки принятых на нем ответных сигналов соответственно от второго и третьего объектов. При этом значение τ₁₂было вычислено по формуле (1). Обобщая формулу (9) для группы из n объектов, можно получить расстояние между любыми i-м и j-м объектами
D_ij= ·c
(10)
где с скорость распространения сигнала;
i номер данного объекта;
j номер любого другого объекта;
j-1 номер объекта, предыдущий j;
t_i,j время от момента излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала до окончания обработки на нем сигнала от j-го объекта;
t_i,j-1 время от момента излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала до окончания обработки на нем сигнала от j-го объекта;
τ_i,j-1- время прямого распространения сигнала от (j-1)-го до i-го объекта, определяемое по формуле
τ_i,j-1=
(11) где D_i,j-1 расстояние между i-м и j-первым объектами, определенное ранее;
α_i^i,j-1- абсолютное значение угла между направлениями прихода сигналов от i-го и (i-1)-го объектов к i-му объекту. При определении расстояния между объектами с соседними номерами, когда i j-1, считают, что τ_i,j-1= 0 и t_i,j-1τ_обр
Таким образом, измеряя на каждом объекте задержки ответных сигналов относительно момента излучения запросного сигнала, а также определяя направление прихода сигналов и вычисляя расстояние до других объектов по формуле (10), получают на каждом объекте данные от относительном местоположении всех остальных объектов. Временные диаграммы запросов и ответов для группы из четырех объектов приведены на фиг. 3 для случая использования импульсного сигнала. Если на каком-либо объекте сигнал с признаком передачи инициативы вообще не будет принят, то это может привести к остановке циклов. Для исключения этого, если на каком-либо объекте не принимают сигнал с признаком передачи инициативы в течение времени t с момента излучения этим объектом запросно-ответного сигнала, равного
t n(τ_макс+τ_обр), (12) то по истечении этого времени на данном объекте формируют запросно-ответный сигнал. В формуле (12) τ_макс- максимально возможное время распространения сигнала между любыми двумя объектами. В сигнал вводят признак, запрещающий на других объектах определять дальность до этого объекта. Таким образом, цикл обмена запросно-ответными сигналами продолжается и на всех объектах пользуются результатом предыдущего определения расстояния до данного объекта. Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. В режиме приема сигнал, принятый тремя разнесенными на объекте антеннами 1-3, через соответствующие антенные коммутаторы 4-6 поступает на входы приемников 7-9, которые производят преобразование частоты принимаемого сигнала, его демодуляцию и декодирование. С выходов трех приемников три задержанные относительно друг друга ПСП поступают на блок 10 измерения разности задержек, который осуществляет измерение временной задержки между ПСП с выходов приемников 7 и 9 по команде от дешифратора 11, выдаваемой в случае совпадения принятого адреса с адресами, хранящимися в дешифраторе 11. Задержка между этими ПСП пропорциональна косинусу угла между осью антенной системы и направлением на источник излучения. Сигнал с выхода приемника 8 используется в блоке 10 для устранения неоднозначности направления на источник сигнала. Сигнал с выхода блока 10 поступает в вычислитель 15, где вычисляется угол между осью антенной системы и направлением на источник по формуле
Θ arccos
где Δ τ- измеренная блоком 10 разность задержек ПСП от приемников 7 и 9;
с скорость распространения сигнала;
d расстояние между первой и третьей антеннами. Вычислитель 15 также осуществляет вычисление угла α_i^j,j-1между направлением из данного объекта на два других объекта, от которых пришли следующие друг за другом ответы. Этот угол вычисляют как модуль разности между двумя последовательно вычисленными угламиΘ т.е. α^j_i^,j-1 -
где Θ_j-1- угол между осью антенной системы i-го объекта и направлением на (j-1)-й объект, т. е. на объект, ответ от которого предшествовал ответу от j-го объекта;
Θ_j- угол между осью антенной системы i-го объекта и направлением на j-й объект;
α_i^j,j-1- угол между направлениями из i-го объекта на j-й (j-1)-й объекты. Неоднозначность расположения источника излучения относительно оси антенной системы устраняется сигналом от антенны 2, которая установлена вне оси, соединяющей антенны 1 и 3. Определяя, запаздывает или опережает сигнал с выхода приемника 8 сигналы с выходов приемников 7 и 9, можно установить, по какую сторону от оси антенной системы находится источник излучения, и присвоить измеренному углу знаки "+" или "-" соответственно. Влияние знака углов Θ на угол α_i^j,j-1 устраняется взятием модуля разности углов Θ. В вычислителе 15 также осуществляется взятие косинуса угла. Сигнал с выхода приемника 7 поступает также на блок 14 измерения временных задержек и дешифратор 11 управляющего слова. Если принятое слово управления содержит информацию о том, что принятый сигнал является ответным, то дешифратор 11 не изменяет состояния синхронизатора 12, поэтому генератор 13 выдает на блок 14 ПСП, синхронизированную предыдущим запросом, и в блоке 14 производится измерение задержки между моментом предыдущего запроса и моментом приема ответа. Если принятое слово управления содержит информацию о том, что принятый сигнал является запросом, то дешифратор 11 запускает внутри себя таймер, формирующий задержку, равную
n(τ_макс+τ_обр), и выдает синхронизатору 12 команду на подстройку синхронизации под принимаемый сигнал. Пока в синхронизаторе 12 происходит процесс подстройки, генератор 13 продолжает работать на предыдущей синхронизации. Этим обеспечивается измерение задержки в блоке 14 между моментом излучения данным объектом предыдущего запроса другому объекту и моментом приема данным объектом запроса от другого объекта. По окончании процесса измерения задержки в блоке 14 он выдает синхронизатору 12 команду на изменение синхронизации генератора 13, дешифратору 11 на подготовку к переходу в режим передачи запроса, а генератору 13 на выдачу ПСП на вход передающего устройства 18. Дешифратор 11 при приеме признака запроса в управляющем слове выдает также команду шифратору 17 на формирование управляющего слова для запроса следующего объекта и ответа всем остальным объектам группы. Сигнал с выхода шифратора 17 поступает в передатчик 18, где из ПСП от генератора 13 и управляющего слова от шифратора 17 формируется сообщение, которое затем кодируется, модулирует несущую и через антенный коммутатор 4 и антенну 1 излучается в пространство. Сигнал с третьего выхода дешифратора 11 обеспечивает перевод передатчика 18 в режиме передачи и переключение антенного коммутатора 4 с входа приемника 7 на выход передатчика 18. Одновременно с этим антенные коммутаторы 5 и 6 отключают антенны 2 и 3 от входов приемников 8 и 9 для защиты их входных цепей от перегрузок в момент излучения передатчика 18. Это необходимо, так как в условиях малого объекта разнос антенн 1-3 не может обеспечить необходимой развязки между ними. Величина измеренной блоком 14 временной задержки в виде двоичного числа поступает в вычислитель 15, где по формуле (10) осуществляется вычисление удалений от данного объекта до других объектов группы. Вычислены блоком 15 удаления и относительные углы в цифровом виде поступают в индикатор 16 местоположения. В случае, если на объекте запрос-ответ с признаком передачи инициативы следующего запроса не принят, дешифратор 11 выдает команды на шифpатор 17, передатчик 18, синхронизатор 12 с задержкой относительно своего предыдущего запроса-ответа, равной
n(τ_макс+τ_обр). В слове управления, формируемом шифратором 17, выставляется признак, запрещающий объектам, принявшим такой запрос-ответ, вычислять дальность до объекта инициатора такого запроса-ответа. На индикатор 16 в этом случае выводится дальность, вычисленная ранее. Система единого тактирования всех устройств, обеспечивающая их синхронную работу, условно не показана. Предлагаемый способ позволяет сократить цикл измерения дальностей между объектами, при этом повышается производительность по обслуживанию объектов, до которых измеряется дальность.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ N ОБЪЕКТОВ, заключающийся в одновременном измерении времени распространения запросно-ответных сигналов между объектами и в измерении направления прихода указанных сигналов, а также в формировании запросных сигналов в момент приема ответных сигналов, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени определения местоположения при формировании запросно-ответного сигнала на i-м объекте, адресу (i + 1)-го объекта присваивают признак передачи этому объекту инициативы формирования следующего запросно-ответного сигнала, при этом следующим после n-го является первый объект, а при поступлении на i-й объект запросно-ответного и ответных сигналов на нем измеряют направление прихода всех сигналов, а также задержки между моментом начала излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала и моментами приема запросно-ответных и ответных сигналов остальных объектов, причем если в принятом сигнале адрес i-го объекта имеет признак передачи инициативы, то на i-м объекте формируют запросно-ответный сигнал, если же на i-м объекте не принимают сигнал с признаком передачи ему инициативы в течение интервала времени t с момента излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала, причем
t = n(τ_макс+τ_обр),
где τ_макс максимально возможное время распространения сигнала между любыми двумя объектами;
τ_обр время обработки сигнала на объекте, одинаковое для всех объектов,
то по истечении времени t на i-м объекте формируют запросно-ответный сигнал с признаком, запрещающим на других объектах определять дальность до i-го объекта, при этом после приема на i-м объекте сигналов от всех остальных объектов по измеренным направлениям прихода сигналов вычисляют абсолютные значения углов между направлениями прихода сигналов от объектов с соседними номерами, исключая i-й объект, а по измеренным задержкам вычисляют дальности до остальных объектов по формуле

где c скорость распространения сигнала;
i номер данного объекта;
j номер любого другого объекта;
t_ij время от момента излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала до окончания обработки на нем сигнала от j-го объекта;
t_i,j-1 время от момента излучения i-м объектом запросно-ответного сигнала до окончания обработки на нем сигнала от (j 1)-го объекта;
α^j_i^,j-1 абсолютное значение угла между направлениями прихода сигналов от j-го и (j 1)-го объектов к i-му объекту;
τ_i,j-1 время прямого распространения сигнала от (j 1)-го объекта до i-го объекта, определяемое по дальности до (j 1)-го объекта в соответствии с формулой

где D_i,j-1 дальность от i-го до (j 1)-го объекта, определенная ранее.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5