Способ определения координат движущегося объекта

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться для определения пространственных координат движущегося объекта и управления его движением в зонах навигации. Технический результат - отсутствие требований обеспечения синхронизированной передачи радиосигналов станциями и наличия единой системы времени передающей радиосигналы системы и объекта. Способ характеризуется тем, что станции передающей системы, содержащей совокупность по крайней мере двух групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, включающих по крайней по три станции в каждой группе, ФЦА которых для одной группы располагают на одной заданной прямой, а ФЦА для другой группы располагают на другой заданной прямой, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции. На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют проекции скорости, ускорения и производной ускорения по времени ФЦА объекта на прямые, соединяющие ФЦА объекта с ФЦА станций, и по указанным проекциям для каждой из трех упорядоченно расположенных станций каждой из групп определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта по предложенным в способе уравнениям измерений. По этим дальностям определяют координаты ФЦА объекта в заданной Декартовой системе координат. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано для определения пространственных координат движущихся объектов и управления их движением в зонах навигации. Радиосигналы передают станции передающей системы с заданными координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, их принимают на объекте и определяют координаты фазового центра его антенны. Реализация способа позволит, в том числе, упростить соответствующие системы позиционирования, обеспечить однозначность определения координат объекта без привлечения дополнительной информации.

Известны способы определения координат объектов, основанные на применении угломерных, дальномерных, разностно и суммарно-дальномерных и комбинированных методов определения местоположения объекта с амплитудными, временными, частотными, фазовыми и импульсно-фазовыми методами измерения параметров радиосигнала (Патенты РФ 2096800, 2213979, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660, 2430385, 2439617, 2506605, 2507529, 2510518, 2539968, 2558640, 2559813, 2567114, 2568104, 2572589, 2584976, 2597007, 2598000, 2599984, 2602506, 2620359, 2653506, 2657237; Патенты США №№9423502 В2, 9465099 В2, 9485629 В2, 9488735 В2, 9661604 В1, 9681267 В2, 2016/0327630 А1. 2016/0330584 А1, 2016/0337933 А1; Основы испытаний летательных аппаратов / Е.И. Кринецкий и др. Под ред. Е.И. Кринецкого. - М.: Машиностр., 1979, с. 64-89; Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, с. 7, 17-18, п.п. 7.1-7.4, гл. 10.; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.; «Радиотехника», 2008, гл. 5; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. радио, 1979, с. 10-11,97-100). Известные способы имеют те или иные недостатки, например, необходимость механического перемещения антенной системы, невозможность однозначного определения координат объекта, необходимость априорной информации о местоположении объекта, необходимость общей синхронизации передающих и принимающих радиосигналы радиотехнических объектов, недостаточное быстродействие и точность.

По критерию минимальной достаточности наиболее близким является способ определения координат объектов по патенту автора RU №2624461.

Преимуществом заявляемого способа определения координат объектов по сравнению с известными способами является обеспечение однозначного определения координат объекта без привлечения дополнительной информации о местоположении объекта и отсутствие требований обеспечения синхронизированной передачи радиосигналов станциями и наличия единой системы времени передающей радиосигналы системы и объекта. Это достигается тем, что станции передающей системы, содержащей совокупность по крайней мере двух групп станций с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн (ФЦА) станций, включающих по крайней по три станции в каждой группе, ФЦА которых для одной группы располагают на одной заданной прямой, а ФЦА для другой группы располагают на другой заданной прямой, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции. На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости, ускорения и производной ускорения по времени ФЦА объекта на прямые, соединяющие ФЦА объекта с ФЦА станций, и по указанным проекциям для каждой из трех упорядоченно расположенных станций каждой из групп определяют дальности от ФЦА станций до ФЦА объекта по предложенным в способе уравнениям измерений. По этим дальностям определяют координаты ФЦА объекта в заданной Декартовой системе координат любым из известных дальномерных методов. Можно использовать, например, подходящий из методов, защищенных патентами автора RU №№2484604, 2484605, или метод, опубликованный в статье автора [Простой алгоритм определения пространственных координат объекта дальномерным методом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. №4, С. 3-8]). В предложенном способе также приведены уравнения измерения пространственных координат объекта для частного случая расположения станций, имеющего практическое значение.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в способе определения координат движущегося объекта с каждой станции передающей системы, содержащей совокупность по крайней мере двух групп станций, i-тую и j-тую, с заданными и известными на объекте координатами ФЦА станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X,Y,Z), включающих по крайней по три

станции в каждой группе, ФЦА которых для i-той группы располагают на одной заданной прямой, а ФЦА для j-той группы располагают на другой заданной прямой, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции, на объекте их принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости, ускорения и производной ускорения по времени ФЦА объекта на прямые, соединяющие ФЦА объекта с ФЦА станций, и по указанным проекциям для каждой из трех упорядочение расположенных станций i-той группы определяют дальности di1, di2, di3 от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с уравнениями измерений

где - известные на объекте расстояния соответственно между ФЦА станций с индексами i1 и i2, i1 и i3, i2 и i3, a νi1, νi2, νi3 - указанные проекции скорости, ai1, ai2, ai3-указанные проекции ускорения, bi1, bi2, bi3 - указанные проекции производной ускорения по времени, при этом параметры δi1 и δi2 определяют по формулам

аналогично для каждой из трех упорядоченно расположенных станций j-той группы по приведенным уравнениям измерений, в которых соответственно индекс i меняют на индекс j, определяют соответствующие дальности dj1, dj2, dj3 от ФЦА этих станций до ФЦА объекта и по определенным таким образом дальностям, соответствующим i-той и j-той группам станций, любым из известных дальномерных методов определяют координаты ФЦА объекта.

Также ФЦА i-той группы станций располагают на одной заданной прямой, параллельной оси X, а ФЦА j-той группы станций располагают на другой заданной прямой, параллельной оси Y, и определяют координаты движущегося объекта x и y в соответствии с уравнениями измерений

где хi1 и yj1 - соответственно координаты по осям X и Y ФЦА станций с индексами i1 и j1, а координату движущегося объекта z определяют в соответствии с уравнением измерений

где zi - координата по оси Z фазовых центров антенн, одинаковая для всех станций i-той группы, а параметр hx определяют по формуле

hx=di1²-[di1²-di3²+ri13²)²/ri13²/4,

либо в соответствии с уравнением измерений

где zj - координата по оси Z фазовых центров антенн, одинаковая для всех станций j-той группы, а параметр hy определяют по формуле

hy=dj1²-(dj1²-dj3²+rj13²)²/rj13²/4,

либо координату движущегося объекта z определяют в соответствии с уравнением измерений

Совокупность всех признаков позволяет определить пространственные координаты объекта с достижением указанного технического результата.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о способах того же назначения с указанной совокупностью признаков. Ниже изобретение описано более детально.

Сущность способа заключается в следующем.

С каждой станции передающей системы, содержащей совокупность по крайней мере двух групп станций, i-тую и j-тую, с заданными и известными на объекте координатами ФЦА станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X,Y,Z), включающих по крайней по три станции в каждой группе, ФЦА которых для i-той группы располагают на одной заданной прямой, а ФЦА для j-той группы располагают на другой заданной прямой, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции.

На объекте радиосигналы принимают, идентифицируют и измеряют одним из известных методов проекции скорости, ускорения и производной ускорения по времени ФЦА объекта на прямые, соединяющие ФЦА объекта с ФЦА станций. Измерение скорости основано, например, на измерении смещения частоты радиосигнала, связанного с эффектом Доплера. По указанным проекциям для каждой из трех упорядоченно расположенных станций i-той группы определяют дальности di1, di2, di3 от ФЦА станций до ФЦА объекта в соответствии с уравнениями измерений (1).

Аналогично для каждой из трех упорядоченно расположенных станций j-той группы по уравнениям измерений (1), в которых соответственно индекс i меняют на индекс j, определяют соответствующие дальности dj1, dj2, dj3 от ФЦА этих станций до ФЦА объекта. По определенным таким образом дальностям, соответствующим i-той и j-той группам станций, любым из известных дальномерных методов определяют координаты ФЦА объекта.

На практике может быть реализовано, например, следующее размещение станций передающей системы: ФЦА i-той группы станций располагают на одной заданной прямой, параллельной оси X, а ФЦА j-той группы станций располагают на другой заданной прямой, параллельной оси Y. Для этого случая координаты ФЦА движущегося объекта x и у определяют в соответствии с уравнениями измерений (2), а координату z определяют в соответствии с уравнениями измерений (3), (4) или (5), например, выбирая из них то, которое дает наименьшую дисперсию определения координаты z в процессе перемещения объекта. Координаты ФЦА объекта определяются однозначно, и не требуется привлечение дополнительной априорной информации о расположении ФЦА объекта.

Способ может найти применение для построения универсальной навигационно-посадочной системы.

Перечислим основные достоинства способа:

- обеспечивает однозначное определение пространственных координат ФЦА объекта с высокой точностью;

- не требуется обеспечение синхронизированной передачи радиосигналов станциями (не обязательна одновременная их передача, либо передача с известными задержками по времени), т.к. измеряются не задержки радиосигналов, а указанные скорости;

- практически исключается влияние на точность определения координат наличие отраженных (например, от земли) радиосигналов;

- не требуется единая система времени передающей системы и объекта;

- реализация способа проще и дешевле, чем известных аналогов;

- позволяет осуществлять одновременные измерения на большом количестве объектов.

Результативность и эффективность использования заявляемого способа состоит в том, что он может быть применен на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения координат движущихся объектов, а также в других приложениях. Способ позволяет однозначно определять координаты с большой точностью и более просто по сравнению с известными способами.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает появление новых свойств, не достигаемых в аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию «новизны».

Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Таким образом, заявленное изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а также критерию «промышленная применимость».

1. Способ определения координат движущегося объекта, при котором с каждой станции передающей системы, содержащей совокупность по крайней мере двух групп станций, i-тую и j-тую, с заданными и известными на объекте координатами фазовых центров антенн станций в заданной трехмерной Декартовой системе координат (X, Y, Z), включающих по крайней по три станции в каждой группе, фазовые центры антенн которых для i-той группы располагают на одной заданной прямой, а фазовые центры антенн для j-той группы располагают на другой заданной прямой, передают радиосигналы с индивидуальными признаками для каждой станции, на объекте их принимают, идентифицируют и измеряют проекции скорости, ускорения и производной ускорения по времени фазового центра антенны объекта на прямые, соединяющие фазовый центр антенны объекта с фазовыми центрами антенн станций, и по указанным проекциям для каждой из трех упорядочение расположенных станций i-той группы определяют дальности di1, di2, di3 от фазовых центров антенн станций до фазового центра антенны объекта в соответствии с уравнениями измерений

где ri₁₂, ri₁₃, ri₂₃ - известные на объекте расстояния соответственно между фазовыми центрами антенн станций с индексами i1 и i2, i1 и i3, i2 и i3, а vi1, vi2, vi3 - указанные проекции скорости, ai1, ai2, ai3 - указанные проекции ускорения, bi1, bi2, bi3 - указанные проекции производной ускорения по времени, при этом параметры δi1 и δi2 определяют по формулам

где

аналогично для каждой из трех упорядоченно расположенных станций j-той группы по приведенным уравнениям измерений, в которых соответственно индекс i меняют на индекс j, определяют соответствующие дальности dj1, dj2, dj3 от фазовых центров антенн этих станций до фазового центра антенны объекта и по определенным таким образом дальностям, соответствующим i-той и j-той группам станций, определяют координаты объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фазовые центры антенн i-той группы станций располагают на одной заданной прямой, параллельной оси X, а фазовые центры антенн j-той группы станций располагают на другой заданной прямой, параллельной оси Y, и определяют координаты движущегося объекта x и y в соответствии с уравнениями измерений

где xi1 и yj1 - соответственно координаты по осям X и Y фазовых центров антенн станций с индексами i1 и j1, а координату движущегося объекта z определяют в соответствии с уравнением измерений

где zi - координата по оси Z фазовых центров антенн, одинаковая для всех станций i-той группы, а параметр hx определяют по формуле

либо в соответствии с уравнением измерений

где zj - координата по оси Z фазовых центров антенн, одинаковая для всех станций j-той группы, а параметр hy определяют по формуле

либо координату движущегося объекта z определяют в соответствии с уравнением измерений