Система для определения местоположения объекта в туннелях с использованием спутниковых сигналов

Изобретение относится к системе для определения местоположения объекта. Технический результат состоит в обработке информации, полученной от ретранслированных в туннеле спутниковых сигналов для определения положения объекта, человека, транспортного средства и т.п. внутри туннеля. Предложенная система может работать с любыми применяемыми на практике спутниковыми радиолокационными системами, такими как GPS/ГЛОНАСС и системой следующего поколения GALLILEO. Предложенная система состоит из двух независимых частей: одной системы для излучения спутниковых сигналов внутри туннеля и одного процессора, аппаратных средств, программного обеспечения или аппаратных средств и программного обеспечения, которые встраивают в базовый приемник спутниковой связи, применяемый для определения местоположения объекта, 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение позволяет определить положение объекта внутри туннеля посредством спутниковых сигналов, обычно применяемых для определения наружного местоположения. Предложенная система позволяет определить положение объекта и его скорость в туннеле с "погрешностью измерения порядка десятков метров. Предложенная система состоит из двух отдельных и взаимодействующих частей, называемых в дальнейшем подсистемами, характерные особенности которых теперь рассмотрим подробно.

1. Первая подсистема имеет все необходимые функции, необходимые для излучения спутниковых сигналов внутри туннеля.

2. Вторая подсистема - это встроенный в базовый приемник спутниковой связи для определения местоположения процессор, который выполняет все действия, необходимые для расчета местоположения объекта в туннеле исходя из информации, содержащейся в спутниковых сигналах, ретранслируемых в туннеле подсистемой, описанной в предыдущем пункте 1.

В зависимости от конкретного применения, подсистема, используемая для излучения спутниковых сигналов внутри туннеля, может работать в соответствии с двумя различными режимами: прямого излучения и канализируемого излучения. Для каждого рабочего режима могут быть различные варианты осуществления подсистемы излучения.

Схема подсистемы прямого излучения, применяемая для излучения внутри туннеля, показана на фиг.1. Сигналы, передаваемые видимыми спутниками, принимают посредством надлежащим образом направленной антенны, расположенной снаружи туннеля, в непосредственной близости от входа в туннель. Затем эти сигналы усиливают в подсистеме УСИЛ и посылают по линии передачи ЛП на электромагнитный излучатель ИЗЛ, расположенный на входе или внутри туннеля.

На фиг.2 показана являющаяся предметом заявленного изобретения схема подсистемы канализируемого излучения, применяемая для излучения внутри туннеля. Передаваемые видимыми спутниками сигналы принимает антенна, расположенная снаружи туннеля в непосредственной близости от входа в туннель. Затем данные сигналы усиливаются в подсистеме УСИЛ, показанной на фиг.2, и передаются на вход по линии передачи ЛП на электрооптический преобразователь Э/O, показанный на фиг.2, основной задачей которого является их ретрансляция на один или более волоконных световодов ВС различной длины. На конце каждого волоконного световода ВС установлен оптико-электрический преобразователь O/Э, а восстановленный электрический сигнал используется в качестве входного для электромагнитного излучателя ИЗЛ. Излучатели ИЗЛ размещаются произвольно или могут располагаться на равном расстоянии друг от друга вдоль линии туннеля с дистанционным шагом d. Волоконные световоды ВС проходят по всей длины туннеля.

Спутниковые сигналы, ретранслированные в туннеле в режиме прямого или канализируемого излучения, имеют одинаковую задержку распространения в туннеле. Значение этой дополнительной задержки непосредственно зависит от расстояния между входом в туннель и приемником спутниковой связи, расположенным внутри туннеля. Дополнительная задержка, возникающая из-за распространения в туннеле, непосредственно прибавляется к задержкам распространения, связанным с каждым путем прохождения сигнала от спутника до входа в туннель.

Из этого следует, что весь путь от спутника до приемника в туннеле может быть удобно разбит на две части:

1) путь от спутника до антенны, расположенной снаружи туннеля, в непосредственной близости от входа в туннель;

2) путь в туннеле, от приемной антенны до приемника спутниковой связи внутри туннеля.

Дополнительная задержка, возникающая из-за распространения внутри туннеля, вносит дополнительную погрешность в измерение расстояния между базовым спутником и приемником, называемого псевдодальностью. Эта дополнительная погрешность может быть учтена в уравнениях псевдодальности за счет введения новой неизвестной криволинейной координаты, представляющей расстояние, покрываемое ретранслированными в туннеле сигналами. Обозначив криволинейную координату буквой s, уравнение псевдодальности для базового спутника можно переписано следующим образом:

где (x, y, z) - координаты входа в туннель; (х_к, у_к, z_к) k=1, 2,…, N_s - координаты N_s видимых спутников; s - расстояние от входа в туннель до приемника спутниковой связи и С_b - смещение часов, характер изменения которого во времени можно определить заранее с помощью известных и очень точных математических моделей. Когда приемник спутниковой связи находится вне туннеля, s=0.

Традиционные приемники спутниковой связи, используемые для определения местоположения объекта, не оборудованы обрабатывающими подсистемами аппаратных средств / программного обеспечения, способными выделить значение s, содержащееся в суммарной погрешности смещения часов, т.е. s+С_b. Как следствие, s проявляется в традиционных приемниках спутниковой связи в виде дополнительного шума, который вводит значительные погрешности в оценку местоположения и приводит к блокированию работы приемника, когда его значение превышает пороговое значение.

Чтобы избежать этого неудобства, необходимо в традиционный или современный приемник спутниковой связи встроить, как показано на фиг.3, новый процессор П, являющийся предметом заявленного изобретения

В представленной на фиг.3 схеме показано, что переданные спутниками сигналы, ретранслированные в туннеле, принимаются спутниковой приемной антенной AHT-RIC. Затем сигналы демодулируются и обрабатываются традиционной подсистемой RCS с целью получения результатов измерения псевдодальности и фазы. Эти данные далее в качестве входных передаются на обрабатывающую подсистему ELAB, основная задача которой состоит в определении значений псевдодальности и/или фазы и суммарного смещения часов С_b+s.

С выхода подсистемы ELAB данные о псевдодальности и суммарном смещении часов передаются в качестве входных на новый процессор Р, основной задачей которого является вычисление положения приемника внутри туннеля на основании измеренного суммарного смещения часов, т.е. С_b+s.

Процессор П может быть выполнен с использованием аппаратных, программных или аппаратных и программных технических средств. Функции процессора П можно проиллюстрировать с помощью двух отдельных подпроцессоров П1 и П2, представленных на фиг.4. Оба подпроцессора П1 и П2 связаны с подсистемами базового приемника спутниковой связи, как показано на фиг.4, и их задачи будут рассмотрены подробно.

Где находится приемник - внутри или снаружи туннеля - подпроцессор П1 определяет с помощью данных о суммарном смещении часов, измеренных подсистемой ELAB. Когда приемник находится снаружи туннеля, для расчета положения приемника и передачи этой информации конечному пользователю данные о псевдодальности и/или фазе поступают непосредственно в подсистему PRES, следуя по стрелке с надписью НЕТ.

Когда приемник находится внутри туннеля, данные из подсистемы ELAB поступают на вход подпроцессора П2, следуя по стрелке с надписью ДА. Задача П2 состоит в том, чтобы откорректировать данные псевдодальности и/или фазы в соответствии с вычисленной криволинейной координатой s, прямо пропорциональной расстоянию между антенной, расположенной на входе в туннель, и положением приемника внутри туннеля. Обновленные данные затем направляются в подсистему PRES для расчета положения приемника и предоставления этой информации конечному пользователю.

И подпроцессор П1 и подпроцессор П2 выполняют алгоритмы, основанные на информации о суммарном смещении часов s+С_b, предоставляемой подсистемой ELAB.

1. Система для определения местоположения объекта в туннеле на основании спутниковых сигналов, передаваемых спутниковой системой навигации, причем указанный объект оснащен приемником спутниковой связи,
включающая в себя систему излучения, выполненную с возможностью приема спутниковых сигналов и излучения принятых спутниковых сигналов внутри туннеля, причем данная система излучения содержит одиночную наружную антенну (АНТ), размещаемую снаружи туннеля и выполненную с возможностью приема спутниковых сигналов, и по меньшей мере один внутренний ретранслятор (ИЗЛ), размещаемый в туннеле, соединенный с наружной антенной (АНТ) и выполненный с возможностью излучения принятых спутниковых сигналов внутри туннеля;
при этом указанный приемник спутниковой связи выполнен с возможностью приема спутниковых сигналов, излучаемых внутри туннеля системой излучения и с возможностью вычисления своего местоположения в туннеле на основании этих излученных спутниковых сигналов;
отличающаяся тем, что приемник спутниковой связи выполнен с возможностью:
вычисления данных о псевдодальности/фазе и суммарного смещения часов (C_b +s) на основании принятых спутниковых сигналов, причем это суммарное смещение часов (C_b +s) включает в себя собственное смещение часов (С_b) и, когда приемник спутниковой связи находится в туннеле, дополнительное смещение часов (s), зависящее от положения приемника спутниковой связи относительно наружной антенны (АНТ);
установления факта входа приемника спутниковой связи в туннель на основании вычисленного указанного суммарного смещения часов (C_b +s); вычисления, в случае если спутниковый приемник вошел в туннель, локального местоположения приемника в туннеле на основании указанного вычисленного суммарного смещения часов (C_b +s), и вычисления глобального местоположения приемника на основании вычисленных данных о псевдодальности/фазе и вычисленного локального местоположения приемника.

2. Система по п.1, в которой система излучения содержит множество внутренних ретрансляторов (ИЗЛ), установленных в различных местах по длине туннеля.

3. Система по п.1 или 2, в которой система излучения также содержит средство передачи сигналов, предназначенное для передачи спутниковых сигналов, принятых наружной антенной (АНТ), на каждый внутренний ретранслятор (ИЗЛ).

4. Система по п.3, в которой указанное средство передачи сигналов содержит отдельную линию передачи (ЛП) для каждого внутреннего ретранслятора (ИЗЛ), причем каждая линия передачи (ЛП) соединяет наружную антенну (АНТ) с соответствующим внутренним ретранслятором (ИЗЛ).

5. Система по п.4, в которой каждая линия передачи (ЛП) содержит волоконный световод (ВС).

6. Система по любому из пп.4 и 5, в которой указанное средство передачи сигналов дополнительно содержит электрооптический преобразователь (Э/О), соединенный с наружной антенной (АНТ) и выполненный с возможностью преобразования спутниковых сигналов, принятых наружной антенной (АНТ), в соответствующие оптические сигналы; при этом средство передачи сигналов также содержит оптико-электрический преобразователь (О/Э) и волоконный световод (ВС) для каждого внутреннего ретранслятора (ИЗЛ), причем каждый волоконный световод (ВС) выполнен с возможностью соединения электрооптического преобразователя (Э/О) с соответствующим оптико-электрическим преобразователем (О/Э), и каждый оптико-электрический преобразователь (О/Э) подсоединен между соответствующим волоконным световодом (ВС) и соответствующим внутренним ретранслятором (ИЗЛ) и выполнен с возможностью преобразования оптического сигнала, переданного по соответствующему волоконному световоду (ВС), в соответствующий электрический сигнал для соответствующего внутреннего ретранслятора (ИЗЛ).

7. Система по любому из пп.4 и 5, в которой указанное средство передачи сигналов содержит средство усиления сигналов (УСИЛ), выполненное с возможностью усиления спутниковых сигналов, принятых наружной антенной (АНТ).

8. Система по п.7, в которой указанное средство усиления сигналов (УСИЛ) содержит одиночный усилитель (УСИЛ).

9. Система по п.7, в которой указанное средство усиления сигналов (УСИЛ) расположено между наружной антенной (АНТ) и электрооптическим преобразователем (Э/О).

10. Система по п.1, в которой приемник спутниковой связи содержит:
первый обрабатывающий блок (ELAB), выполненный с возможностью вычисления данных о псевдодальности/фазе и суммарного смещения часов (С_b +s);
второй обрабатывающий блок (П1), соединенный с первым обрабатывающим блоком (ELAB) и выполненный с возможностью установления факта входа приемника спутниковой связи в туннель на основании указанного вычисленного суммарного смещения часов (С_b +s);
третий обрабатывающий блок (П2), соединенный со вторым обрабатывающим блоком (П1) и выполненный с возможностью вычисления дополнительного смещения часов (s) в суммарном смещении часов (С_b +s) и с возможностью коррекции данных о псевдодальности/фазе на основании вычисленного указанного дополнительного смещения часов (s);
и четвертый обрабатывающий блок (PRES), выборочно подключаемый ко второму (П1) и третьему (П2) обрабатывающим блокам для вычисления положения приемника на основании данных о псевдодальности/фазе, вычисленных первым обрабатывающим блоком (ELAB), в случае, когда приемник спутниковой связи находится вне туннеля, и на основании данных о псевдодальности/фазе, скорректированных третьим обрабатывающим блоком (П2), в случае, когда приемник спутниковой связи находится в туннеле.

11. Приемник спутниковой связи для системы определения местоположения, содержащей систему излучения, выполненную с возможностью приема посредством наружной антенны (АНТ) спутниковых сигналов от спутниковой системы навигации и с возможностью излучения принятых спутниковых сигналов внутри туннеля, при этом приемник спутниковой связи выполнен с возможностью приема спутниковых сигналов, излученных в туннеле системой излучения, и с возможностью вычисления своего положения в туннеле на основании этих излученных спутниковых сигналов;
отличающийся тем, что выполнен с возможностью:
вычисления данных о псевдодальности/фазе и суммарного смещения часов (C_b +s) на основании принятых спутниковых сигналов, причем суммарное смещение часов
(C_b +s) включает собственное смещение часов (С_b) и, когда приемник спутниковой связи находится в туннеле, дополнительное смещение часов (s), зависящее от положения приемника спутниковой связи относительно наружной антенны (АНТ);
установления факта входа приемника спутниковой связи в туннель на основании указанного вычисленного суммарного смещения часов (С_b +s);
вычисления, в случае если спутниковый приемник вошел в туннель, локального местоположения приемника в туннеле на основании указанного вычисленного суммарного смещения часов (С_b +s),
и вычисления глобального местоположения приемника на основании вычисленных данных о псевдодальности/фазе и вычисленного локального местоположения приемника.

12. Приемник по п.11, содержащий:
первый обрабатывающий блок (ELAB), выполненный с возможностью вычисления данных о псевдодальности/фазе и суммарного смещения часов (C_b+s);
второй обрабатывающий блок (П1), соединенный с первым обрабатывающим блоком (ELAB) и выполненный с возможностью установления факта входа приемника спутниковой связи в туннель на основании указанного вычисленного суммарного смещения часов (C_b +s);
третий обрабатывающий блок (П2), соединенный со вторым обрабатывающим блоком (П1) и выполненный с возможностью вычисления дополнительного смещения часов (s) в суммарном смещении часов (С_b +s) и с возможностью коррекции данных о псевдодальности/фазе на основании вычисленного указанного дополнительного смещения часов (s);
и четвертый обрабатывающий блок (PRES), выборочно подключаемый ко второму (П1) и третьему (П2) обрабатывающим блокам для вычисления положения приемника на основании данных о псевдодальности/фазе, вычисленных первым обрабатывающим блоком (ELAB), в случае, когда приемник спутниковой связи находится вне туннеля, и на основании данных о псевдодальности/фазы, скорректированных третьим обрабатывающим блоком (П2), в случае, когда приемник спутниковой связи находится в туннеле.