Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат - снижение аппаратных затрат. Предлагаемый способ основан на приеме сигналов ИРИ антеннами, измерении разности времени приема сигнала от ИРИ в нескольких точках пространства сканирующими радиоприемными устройствами, преобразованных в систему уравнений, а также основан на использовании двух одинаковых, стационарных радиоконтрольных постов (РП), один из которых принимают за ведущий, соединяя с другим линией связи, при этом калибруют измеритель величины запаздывания прихода сигналов на (РП), используя эталонные радиоэлектронные средства (РЭС) с известными параметрами сигналов и координатами местоположения, затем на РП осуществляют квазисинхронное сканирование и измерение уровней сигналов на заданных фиксированных частотах настройки и величину запаздывания прихода сигналов ИРИ. Информацию с ведомого РП передают на ведущий, где вычисляют отношение уровней и разность запаздывания прихода сигналов ИРИ с учетом результатов калибровки измерителей, а также составляют два уравнения положения ИРИ, каждое из которых описывает окружность с радиусом, равным расстоянию от РП до ИРИ. Расстояния при этом определяют через отношение уровней сигналов и разность времени приема сигнала, измеренных на РП с использованием только одной пары антенн с известными азимутом оси главного лепестка и диаграммой направленности, главный лепесток каждой из которых расположен в разных полуплоскостях относительно линии базы, а координаты ИРИ определяют численным методом решения составленных уравнений, принимая за истинные лишь координаты, относящиеся в той полуплоскости относительно линии базы, в которой находится главный лепесток антенны с наибольшим уровнем принятого сигнала. Устройство, реализующее способ, содержит два одинаковых РП, один из которых является ведущим, и на каждом посту содержит направленные антенны, измерительный сканирующий радиоприеник, измеритель величины запаздывания прихода сигналов, компьютер и устройство связи, определенным образом соединенные между собой. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2510038

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы или государственной службы надзора за связью). Изобретение может быть использовано при поиске местоположения несанкционированных средств связи.

Известны способы определения координат ПРИ, в которых используются пассивные пеленгаторы в количестве не менее трех, центр тяжести области пересечения выявленных азимутов которых на фронт прихода волны принимается за оценку местоположения. Основными принципами работы таких пеленгаторов являются амплитудные, фазовые и интерферометрические . Широко применяемым является амплитудный способ пеленгования, при котором используется антенная система, имеющая, диаграмму направленности с ярко выраженным максимумом главного лепестка и минимальными задним и боковыми лепестками. К таким антенным системам относятся, например, логопериодические или, антенны, имеющие кардиоидную характеристику и др. При амплитудном способе механическим вращением добиваются положения антенны, при котором выходной сигнал имеет максимальную величину. Такое направление принимают за направление на ИРИ. К недостаткам большинства пеленгаторов следует отнести высокую степень сложности антенных систем, коммутационных устройств и наличие многоканальных радиоприемников, а также необходимость в быстродействующих системах обработки информации.

Наличие в федеральных округах государственной радиочастотной службы взаимосвязанных через центральный пункт разветвленной сети радиоконтрольных постов, оборудованных средствами приема радиосигналов, измерения и обработки их параметров, позволяет дополнить их функции и задачами определения координат местоположения тех ИРИ, сведения о которых отсутствуют в базе данных, не прибегая к использованию сложных и дорогостоящих пеленгаторов.

Известен способ , в котором для определения координат местоположения ИРИ используют N, не менее четырех, стационарных радиоконтрольных постов, расположенных не на одной прямой, один из которых принимают за базовый, соединяя с остальными N-1 постами линиями связи, на всех постах осуществляют квазисинхронное сканирование по заданным фиксированным частотам настройки, усредняют измеренные значения уровней сигналов на каждой из сканируемых частот, а затем на базовом посту для каждого из сочетаний C 4 N (сочетаний из N по 4) на основании обратно пропорциональной зависимости отношений расстояний от поста до источника радиоизлучения и соответствующих им разностей уровней сигналов, выраженных в дБ, составляют три уравнения, каждое из которых описывает окружность равных отношений, по параметрам двух любых пар которых и определяют текущее среднее значение широты и долготы местоположения источника радиоизлучения. Недостатком этого способа является большое количество стационарных постов радиоконтроля.

Известны способы и устройства пеленгования (4, 5), которые могут быть использованы для целей определения координат.

Способ (4) основан на приеме сигналов тремя антеннами, образующими две пары измерительных баз, измерении разностей времени прихода сигналов ИРИ и детерминированных вычислений искомых координат.

К недостаткам способа следует отнести:

1) Большое количество антенн.

2) Способ не ориентирован на использование радиоконтрольных постов.

3) Измерительные базы для вычисления разности времен прихода сигналов ПРИ парами антенн существенно ограничивают разнос этих антенн, не говоря о нецелесообразности и большой технической сложности реализации способа.

Разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор (5), состоящий из двух периферийных пунктов, центрального и системы единого времени, преследует цель разгрузить канал связи между пунктами. Периферийные пункты предназначены для приема, хранения, обработки сигналов и передачи фрагментов сигналов на ЦП, на котором вычисляется разность времени прихода сигналов. В системе единого времени применяется хронизатор, представляющий собой привязанный к шкале единого времени хранитель шкалы текущего времени (часы), предназначенный для привязки записываемых в ЗУ значений уровня сигнала к значению времени приема.

Данному пеленгатору свойственны следующие недостатки:

1) Не адаптирован к радиоконтрольным пунктам, используемым в филиалах федеральных округов государственной радиочастотной службы или государственной службы надзора за связью.

2) Большое количество специализированных пеленгационных (но не радиоконтрольных) постов.

3) Необоснованное и не раскрытое (хотя бы до функциональной схемы) применение системы единого времени на ЦП и хронизаторов на ПП, синхронизированных с системой единого времени.

4) Необходимость в наличии радиоканалов с большой пропускной способностью (до 625 Мбод) для передачи даже фрагментов сигналов с ПП1 и ПП2 на ЦП.

5) Для организации радиоканала необходимы радиопередающие устройства и получение разрешения на их работу в определенных условиях эксплуатации.

Известен разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство (6).

Способ, основанный на приеме сигналов ИРИ четырьмя антеннами, образующими три независимые измерительные базы, в разнесенных точках A, B, C, D таким образом, что объем фигуры, образованный из этих точек, больше нуля (V A,B,C,D >0). Сигнал одновременно принимается на все антенны, измеряют три независимые разности времени t AC , t BC , t DC приема сигнала парами антенн, образующих измерительные антенные базы (АС), (ВС) и (DC). По измеренным разностям времен вычисляют разности дальностей от ИРИ до пар точек (А, С), (В, С), (D, C), для k-й тройки антенн, расположенных в точках А, В, С при k=1, B, C, D при k=2, D, C, A при k=3, вычисляют с помощью измеренных разностей дальностей значения угла k , характеризующие угловое положение плоскости положения ИРИ k , k=1, 2, 3 относительно соответствующей измерительной базы, и координаты точки F k принадлежащей k-й плоскости положения ИРИ, вычисляют искомые координаты ИРИ как координаты точки пересечения трех плоскостей положения ИРИ k , k=1, 2, 3 каждая из которых характеризуется координатами точек расположения k-й тройки антенн и вычисленными значениями угла k и координатами точки F k , отображают результаты вычисления координат ИРИ в заданном формате.

Этот способ и устройство, его реализующее, ближе к заявляемому, но также обладает рядом существенных недостатков:

1) Сложность практической реализации способа в связи с отсутствием возможности измерении разностей времен приема сигнала ИРИ только антеннами (измерительные радиоприемники в блок-схеме отсутствуют).

2) Необходимость сведения сигналов ИРИ с разнесенных на оптимальное расстояние до 0,6-0,7 R ЭМД антенн согласно (2) в одну точку, что практически реализовывать нецелесообразно.

3) Обеспечить измерение разности времени приема сигнала ИРИ на конкретных заданных частотах непосредственно с антенн (без использования радиоприемников, которые на блок-схеме не отображены) весьма сложно.

4) Для измерения разности времени приема сигнала непосредственно с антенн используются двухвходовые измерители.

5) Сложность технической реализации, обусловленная большим количеством различных вычислителей.

6) Неопределенность в построении поверхности положения в виде плоскости, перпендикулярной плоскости расположения антенн, так как антенны в точках A, B, C, D не располагаются в одной плоскости, о чем свидетельствует условие V A,B,C,D >0 в формуле изобретении.

Наиболее близким к заявляемому является дальномерно-разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство (7), принятый в качестве прототипа.

Способ основан на приеме сигнала тремя антеннами, измерении значений двух разностей времен приема сигнала ИРИ антеннами, измерении двух значений плотности потока мощности сигнала ИРИ, последующей обработке результатов измерений с целью вычисления координат точки, через которую проходит линия положения ИРИ.

Этот способ предполагает выполнение следующих операций:

Располагают три антенны в вершинах треугольника АВС;

Принимают сигнал на все три антенны;

Измеряют две разности времен t AC и t BC приема сигнала ИРИ антеннами;

Измеряют плотности потока мощности P 1 и Р 2 сигнала в точках размещения антенн 1 и 2;

Вычисляют значения разностей дальностей от ИРИ до пар антенн с использованием выражений r AC =C t AC , r BC =C t BC , r AB = r AC - r BC , где С - скорость распространения электромагнитной волны;

Вычисляют координаты по полученной формуле.

В соответствии с (7) в состав устройства, реализующего способ, входит:

Три антенны;

Два измерителя разности времен;

Два измерителя плотности потока мощности;

Вычислительный блок;

Блок индикации.

Прототипу свойственны следующие недостатки:

1) Практическая сложность осуществления способа в связи с отсутствием возможности измерении разностей времен приема сигнала ИРИ только антеннами (измерительные радиоприемники в блок-схеме отсутствуют).

2) Необходимость сведения сигналов ИРИ с разнесенных на несколько километров антенн в одну точку для измерения двухвходовыми измерителями, что является существенной и не решенной авторами патента проблемой.

3) Не адаптирован к оборудованию радиоконтрольных постов (избыточны два измерителя разности времен, два измерителя плотности потока мощности, вычислительный блок, блок индикации), имеющихся в филиалах федеральных округов радиочастотной службы РФ, а поэтому не может быть там использован.

4) Применяемые приемные антенны могут быть только изотропными, так как в формулах вычисления координат отсутствуют параметры диаграмм их направленности.

Целью настоящего изобретения является разработка способа определения координат местоположения ИРИ двумя радиоконтрольными постами, что позволит применить такой способ практически во всех филиалах федеральных округов Радиочастотной службы Российской Федерации.

Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ определения координат местоположения источников радиоизлучения, основанный на приеме сигналов ИРИ антеннами, измерении уровней и разности времени приема сигнала от ИРИ в нескольких точках пространства сканирующими радиоприемными устройствами и преобразованных в систему уравнений, и отличительных признаков: для определения координат местоположения ИРИ используют два одинаковых стационарных радиоконтрольных поста, один из которых принимают за ведущий, соединяя с другим линией связи, калибруют измеритель величины запаздывания прихода сигналов на посты, используя эталонные РЭС с известными параметрами сигналов и координатами местоположения, затем на постах осуществляют квазисинхронное сканирование и измерение уровней сигналов на заданных фиксированных частотах настройки и величину запаздывания прихода сигналов ПРИ, а затем передачу их на базовый пост, где вычисляют отношение уровней и разность запаздывания прихода сигналов ИРИ с учетом результатов калибровки измерителей, а также составляют два уравнения положения ИРИ, каждое из которых описывает окружность с радиусом равным расстоянию от поста до ИРИ, причем эти расстояния определяют через отношение уровней сигналов и разность времени приема сигнала, измеренных на постах с использованием только одной пары антенн с известными азимутом оси главного лепестка и диаграммой направленности, а координаты ИРИ определяют численным методом решения составленных уравнений. Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых показаны:

На фиг.1 - размещение двух постов радиоконтроля и положение ИРИ, Е - истинное положение, Еф - фиктивное; a , b - углы положения оси главного лепестка ДНА; АВ - линия базы; АЕ, BE - линии азимутов a и b на истинное положение ИРИ; АЕф, ВЕф - линии азимутов аф и bф на фиктивный ИРИ;

На фиг.2 - блок-схема реализации предлагаемого способа,

Предлагаемый способ предполагает выполнение следующих операций:

1) Калибруют измеритель величины запаздывания прихода сигналов (ИВЗ) на посты, используя массив эталонных РЭС с известными параметрами сигналов и координатами местоположения. Каждая эталонная РЭС должна находиться в зоне ЭМД обоих постов. Их количество и распределение в зоне ЭМД должно быть достаточным для обеспечения заданной точности калибровки как по расстоянию, так и азимуту от постов.

2) На каждом посту измеряют уровни сигнала с помощью радиоприемника и величины запаздывания прихода сигналов ИРИ с помощью соответствующего измерителя, используя антенны поста с известной диаграммой направленности, перестраивая при этом приемник на заданные фиксированные частоты. Процедуру по измерению величин запаздывания прихода сигналов ИРИ выполняют аналогично п.1. Результаты заносятся в банк данных своего компьютера.

3) Пересылают по каналу связи устройства связи информацию из ведомого компьютера на ведущий.

4) Вычисляют разность величин запаздывания прихода сигналов на антенны постов как от эталонных РЭС, так и от ИРИ с учетом результатов по п.1, а также вычисляют отношение уровней сигналов от ИРИ, измеренных радиоприемниками постов.

5) Составляют систему двух уравнений, определяющих положение ИРИ, и решают ее численным методом, используя данные пункта 4.

Уравнения положения при этом будут иметь вид окружностей

где: r a , r b - расстояния от постов до искомого ИРИ, а 8- их разность (рис.1).

Квадраты отношений радиусов запишем через измеренные уровни сигналов как

Отношение квадратов расстояний, определяемое через разность уровней сигналов, измеренных на постах радиоконтроля А и В и выраженных в дБ, позволяет описать линию положения ПРИ, исключив при этом зависимость этой линии положения от мощности искомого источника радиоизлучения. При этом из (3), на основании вычисленной разности расстояний, определяются квадраты расстояний в виде:

и .

Так как окружности пересекаются в двух точках, симметричных относительно линии базы (см. фиг.1), то возникает неоднозначность координат ИРИ. Для снятия возникающей неоднозначности можно выполнить повторные измерения с использованием направленной (с известной ДНА), например, логопериодической или кардиоидной поворотной антеннами. Но этот вариант связан с большими временными затратами и сложностью автоматизации такого решения. В заявляемом способе определение координат ИРИ с одновременным устранением неоднозначности осуществляют посредством измерения уровней сигналов непосредственно на направленные антенны. При этом направленные антенны не поворачивают в направлении максимума излучаемого сигнала, но положение оси главного ее лепестка на обоих постах должно быть известно, а лепестки ориентированы примерно в противоположных направлениях относительно базы. Такое положение осей главных лепестков антенн показано на фиг.1. Зависимость ЭДС на выходе антенны Е() связана с напряженностью поля вблизи ее и углом , определяющим положение оси главного лепестка ДНА относительно азимута на ПРИ, может быть представлена как Е()=Ем (), где Ем - максимальная ЭДС, соответствующая направлению оси главного лепестка на источник, () - функция определяющая диаграмму антенны. Теперь отношение уровней сигналов для направленных антенн n ( a , b) можно представить через отношение уровней, получаемых от ненаправленных антенн n ab как, где

и - функция отношений ДНА.

Отсюда n ab =n( a , b)/ ( a , b) и квадраты радиусов (4) системы (1) будут представлены в виде:

Для решения системы уравнений (1) и (2), с учетом (5) и (6), необходимо определить углы a , b и знать (). Из фиг.1 они определяются как a = a - a , b = b - b , ,

где: аф = аф - a , bф = bф - b , a < /2, то ИРИ находится во второй полуплоскости (ниже линии базы). При априорно снятой неопределенности расположения ИРИ относительно линии базы (например, при выполнении операции поиска ИРИ силовыми структурами) применяют ненаправленную (например, штыревую или биконическую антенны) и вычисление координат ведут по формулам (1), (2) с учетом (3) и (4).

В состав заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ, входят два одинаковых радиоконтрольных поста - РКП А и РКП Б, содержащие:

1. Антенны 1, 6;

2. Радиоприемники (РП) 2, 7;

3. Измерители величин запаздывания сигналов (ИВЗ) 3, 8;

4. Компьютеры 4, 9;

5. Устройства связи 5, 10.

Один из постов (для примера, пусть это пост РКП А) является ведущим. Выходы антенн 1, 6 подключены на входы сканирующих радиоприемников 2, 7, управляющие компьютеры 4, 9 соединены двунаправленными связями с устройством связи 5, 10, предназначенными для передачи информации, сканирующими приемниками 2, 7 и измерителями величины запаздывания прихода сигналов 3, 8, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего сканирующего приемника. Измеренные приемниками сигналы ИРИ поступают по двунаправленной связи в компьютер соответствующего поста. В блоках 3, 8 осуществляется измерение величины запаздывания прихода сигналов как эталонных РЭС для создания файла калибровки, используемого при расчете координат, так и сигналов ИРИ и передача измеренных величин по запросу компьютера в его базу данных. Под управлением компьютера ведущего поста все сведения с ведомого поста передаются по каналу связи устройства связи 5, 10 в компьютер ведущего поста. Там производится расчет координат по уравнениям положения ИРИ с учетом диаграмм направленности антенн и калибровочных файлов. Вычисления координат проводятся численным методом последовательных приближений. Таким образом, предложенный способ позволяет определять координаты ИРИ в отличие от прототипа:

1) лишь двумя стационарными постами радиоконтроля;.

2) прием сигнала ИРИ осуществляется только на две антенны;

3) используются направленные антенны с выраженными максимумами диаграммы направленности, а не с круговой диаграммой направленности;

4) измерение величин запаздывания прихода сигналов на антенны постов осуществляется в месте размещения антенн одновходовым измерителем, используя при этом не сигналы с выходов антенн непосредстенно, а используя усиленные и отфильтрованные сигналы с выходов радиоприемников;

5) вычисление разности измеренных величин запаздывания прихода сигнала осуществляется не двухвходовым измерителем, соединенным с выходом разнесенных антенна, а на одном компьютере ведущего поста с использованием при этом полученных путем измерения калибровочных файлов;

6) главный лепесток каждой из антенн располагают в разных полуплоскостях относительно линии базы. принимая за истинные лишь координаты, относящиеся к той полуплоскости относительно линии базы, в которой находится главный лепесток антенны с наибольшим уровнем принятого сигнала.

7) вычисление координат местоположения осуществляется численным методом;

8) при априорно снятой неопределенности расположения ИРИ относительно линии базы применяют ненаправленную (например, штыревую или биконическую антенны) и вычисление координат ведут по формулам (1), (2) с учетом (3) и (4). Это упрощает реализацию устройства по предлагаемому способу

Таких особенностей не выявлено ни в аналогах, ни в прототипе и свидетельствует о наличии в предлагаемом изобретении признаков новизны и соответствующего уровня изобретательности.

Литература.

1. Корнеев И.В., Ленцман В.Л. и др. Теория и практика государственного регулирования использования радиочастот и РЭС гражданского применения.

Сборник материалов курсов повышения квалификации специалистов радиочастотных центров федеральных округов. Книга 2. - СПб.: СПбГУТ. 2003.

2. Липатников В.А., Соломатин А.И., Терентьев А.В. Радиопеленгация. Теория и практика. Спб. ВАС, 2006 г. - 356 с.

3. Способ определения координат местоположения источников радиоизлучения. Заявка № 2009138071, опубл. 20.04.2011 г. Б.И. № 11. Авторы: Логинов Ю.И., Екимов О.Б., Рудаков Р.Н.

4. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения. Патент РФ № 2325666 С2. Авторы: Сайбель А.Г., Сидоров П.А.

5. Разнесенный разностно-дальномерный пеленгатор. Патент РФ № 2382378, С1. Авторы: Ивасенко А.В., Сайбель А.Г., Хохлов П.Ю.

6. Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ № 2309420. Авторы: Сайбель А.Г., Гришин П.С.

7. Дальномерно-разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ № 2363010,С2, опубл. 27.10.2007 г. Авторы: Сайбель А.Г., Вайгель К.И

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения координат местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), основанный на измерении уровней и разности времени прихода сигнала от ИРИ на разнесенные антенны сканирующими радиоприемными устройствами и преобразованных в систему уравнений, отличающийся тем, что используют два стационарных радиоконтрольных поста, один из которых принимают за ведущий, соединяя с другим линией связи, калибруют измеритель величины запаздывания прихода сигналов на посты, используя эталонные радиоэлектронные средства с известными параметрами сигналов и координатами местоположения, на постах осуществляют квазисинхронное сканирование для выявления ИРИ, а затем выполняяют измерение уровней сигналов на заданных фиксированных частотах настройки и величин запаздывания прихода сигналов ИРИ, передачу их на ведущий пост, где вычисляют отношение уровней и разность запаздывания прихода сигналов ИРИ с использованием результатов калибровки измерителей, а также составляют два уравнения, каждое из которых описывает окружность с радиусом, равным расстоянию от поста до ИРИ, причем эти расстояния определяют через отношение уровней сигналов и разность величин запаздывания прихода сигнала, измеренных на постах с использованием только одной пары антенн с известными азимутом осей главного лепестка и диаграммами направленности, главный лепесток каждой из которых расположен в разных полуплоскостях относительно линии базы, а координаты ИРИ определяют численным методом решения составленных уравнений, принимая за истинные лишь координаты, относящиеся к той полуплоскости относительно линии базы, в которой находится главный лепесток антенны с наибольшим уровнем принятого сигнала.

2. Устройство для определения координат местоположения источников радиоизлучения, содержащее, соединенные двунаправленными линиями связи, посты, включающие приемные антенны, сканирующие радиоприемники, управляемые компьютером, отличающееся тем, что содержит два одинаковых радиоконтрольных поста, один из которых является ведущим, и на каждом посту измеритель величины запаздывания прихода сигналов, причем выходы антенн подключены на входы сканирующих радиоприемников, управляющий компьютер соединен двунаправленными связями с устройством связи, сканирующим приемником и измерителем величины запаздывания прихода сигналов, вход которого соединен с выходом сканирующего приемника.

Дальномерный способ определения местоположения и составляющих вектора скорости объектов по радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем может быть использован в космической радионавигации и геодезии. Согласно способу принимают N-канальным приемным устройством, установленным на объекте, навигационные радиосигналы спутников, определяют дальности от объектов до каждого спутника путем измерения временных сдвигов кодовых последовательностей, формируемых генераторами спутников относительно кодовой последовательности, формируемой генераторами объекта, а также составляющих вектора скорости путем измерения принимаемых доплеровских сдвигов частоты с использованием систем слежения за несущими. При этом в N-канальном приемном устройстве, один из которых является ведущим, а другие - ведомыми каналами, производят определение разности дальностей между дальностями, измеренными ведомыми приемными устройствами и дальностью, измеренной ведущим приемным устройством, а также определение разностей скоростей изменения дальностей между скоростями изменения дальностей, вычисленными по измерениям доплеровских сдвигов частоты ведомыми приемными устройствами и скоростью изменения дальности, вычисленной по измерению доплеровского сдвига частоты ведущим приемным устройством, затем производят определение двойных разностей дальностей и двойных разностей скоростей изменения дальностей путем взаимного вычитания друг из друга разностей дальностей и разностей скоростей изменения дальностей. Технический результат заключается в повышении точности определения координат местоположения, составляющих вектора скорости определяющегося объекта по навигационным сигналам КА СРНС; и с использованием радиосигналов наземных воздушных источников радиоизлучений, а также с использованием радиоизлучений КА других систем и имитаторов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области космической радионавигации, геодезии и может быть использовано для определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов. Известен доплеровский разностно-дальномерный способ определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов по навигационным радиосигналам космических аппаратов (КА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС), основанный на измерениях разностей топоцентрических расстояний между объектом и двумя положениями одного и того же навигационного КА (НКА) в последовательные моменты времени (П.С. Волосов, Ю.С. Дубенко и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. Л.: Судостроение, 1976). Практической реализацией известного способа являются российская СРНС "Цикада" и американская СРНС "Транзит" - навигационные системы первого поколения. В нем интегрирование доплеровского смещения частоты принятых за интервал времени T от навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ) радиосигналов позволяет определить число длин волн, укладывающихся в разность расстояний от фазового центра антенны приемного устройства объекта до двух положений НИСЗ (двух положений фазового центра антенны НИСЗ): где t 1 и t 2 - время передачи временных меток НИСЗ; R 1 (t 1) и R 2 (t 2) - расстояния между фазовыми центрами антенн объекта и НИСЗ; c - скорость света; f п - частота принимаемого сигнала; f о - частота опорного сигнала, f п = f и f и +f ио +f тр +f гр +f др, где
f и - частота сигнала, излучаемого НИСЗ;
f и - нестабильность частоты излучаемого сигнала;
f ио,f тр - неизвестные сдвиги частоты, обусловленные распространением сигналов в ионосфере, тропосфере;
f гр - неизвестный сдвиг частоты, обусловленный гравитационными силами;
f др - неизвестные сдвиги частоты, обусловленные другими факторами,
f o = f и f+f o ,
где
f o - известный постоянный сдвиг частоты (частотная подставка);
f - нестабильность частоты опорного сигнала. С учетом изложенного выражение примет вид

Из выражения видно, что интегральный доплеровский сдвиг частоты определяется двумя слагаемыми. Первое слагаемое - погрешности измерений, обусловленные условиями распространения радиоволн, гравитационным полем Земли, нестабильностью частоты излучения опорного генератора и другими факторами. Они войдут в навигационное уравнение как неизвестные. Второе слагаемое является прямым измерением изменения наклонной дальности в длинах волн опорной частоты определяющегося объекта. Ошибка сложения системы слежения за несущей (ССР), которая отсутствует в рассмотренном навигационном уравнении, также входит в ошибку измерения радионавигационного параметра (РНП). Отслеживаемая функция времени - несущая частоты имеет ненулевые производные высокого порядка. Следовательно, помимо случайных ошибок (шумовых) реальный следящий контур с астатизмом конечного порядка будет иметь динамические ошибки, обусловленные наличием производных входного воздействия более высокого порядка, чем порядок астатизма системы. Уменьшение случайной ошибки системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ССН требует применения более инерционного контура обратной связи (сужение полосы пропускания фильтра низкой частоты), но при этом возрастают динамические ошибки ССР и наоборот. Выражая дальности через координаты прямоугольной геоцентрической системы координат, навигационное уравнение примет вид
,
где
x 1 , y 1 , z 1 , x 2 , y 2 , z 2 - координаты фазового центра антенны спутника в моменты времени t 2 и t 1 соответственно;
x 0 , y 0 , z 0 -неизвестные координаты фазового центра антенны определяющегося объекта. Как видно, три измерения разностей дальностей в четырех последовательных положениях спутника на орбите позволяют определить координаты объекта x 0 , y 0 , z 0 . В процессе измерений необходимо ждать, пока дальность до НИСЗ изменится на достаточную величину. Разностно-дальномерный способ проявляет свои достоинства на таких расстояниях (базах) между положениями НИСЗ на орбите, когда они соизмеримы с расстояниями между НКА и определяющимся объектом. В соответствии с изложенным недостатками известного способа являются
ошибки, обусловленные ССР;
ошибки за счет нестабильности частоты излучения НКА и опорного генератора;
систематические и случайные ошибки;
низкая точность определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов при использовании НИСЗ на средневысоких и высоких орбитах. Известен также дальномерный способ, который принят в качестве прототипа. Практической реализацией этого способа являются СРНС второго поколения - российская Global Orbiting Navigation Sattellite System (ГЛОНАСС) и американская Global Positioning System (GPS). Геометрическим эквивалентом конечного алгоритма этого способа решения навигационной задачи является построение относительно используемых навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) совокупности поверхностей положения, точка пересечения которых и является искомым положением объекта (Бортовые устройства спутниковой радионавигации. /Под ред. В.С. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988). Для решения навигационной задачи минимально необходимый объем функциональных зависимостей должен быть равен числу оцениваемых параметров. Определение координат местоположения объекта сводится к решению системы уравнений

где
R 1 , . . . , R 4 - результаты измерений наклонных дальностей, полученные с помощью следящей системы за задержкой (ССЗ);
x, y, z - координаты объекта в геометрической прямоугольной системе координат;
x 1 , y 1 , z 1 .... x 4 , y 4 , z 4 - координаты четырех путников, передаваемые в навигационном сообщении;
R т - разница между истинной дальностью объекта-спутника и измеренной, обусловленной сдвигом шкалы времени объекта относительно шкалы времени НИСЗ;
R 1 ,...,R 4 - погрешности измерений, обусловленные атмосферой, ионосферой, другими факторами. Для определения координат местоположения объекта необходимо, чтобы в поле зрения объекта находились одновременно четыре спутника. В результате решения этой системы уравнений определяются четыре известные: три координаты местоположения объекта (x, y, z) и поправка R т к его шкале времени (поправка к часам). Аналогичным образом, с использованием результатов измерений с помощью ССН, определяются три составляющие вектора скорости и поправки к частоте эталона частоты объекта, используемого для формирования шкалы времени:
,
где
- скорости изменения дальностей (радиальные скорости), измеренные с помощью ССН;
- составляющие вектора скорости объекта;
- составляющие вектора скорости четырех спутников;
- разница между истинной скоростью и измеренной, обусловленная расхождением частот эталонов частоты НИСЗ и объекта;
- погрешности измерений, обусловленные условиями распространения радиоволн и другими факторами. Измерение дальности в аппаратуре объекта осуществляется путем измерения временного интервала между временными отметками принимаемого от спутника кода и местного кода объекта. Эффективность данного метода определяется в основном шумовой погрешностью измерения РНП, поскольку именно шумовая погрешность ограничивает эффект компенсации сильнокоррелированных погрешностей. Для оценки шумовой погрешности используется (Бортовые устройства спутниковой радионавигации. /Под ред. В.С. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988) выражение

где
2 ш - дисперсия шума измерения;
- длительность элемента дальномерного кода;
c/N 0 - отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе приемника;
B ССЗ - односторонняя ширина полосы ССЗ;
B ПЧ - односторонняя ширина полосы УПЧ дискриминатора;
K 1 , K 2 - постоянные параметры, зависящие от выбранного технического решения. Измерение доплеровского сдвига частоты основано на измерении приращения дальности на частоте несущей с использованием ССН. Оценка точности измерения приращения дальности определяется выражением для дисперсии фазы 2 ф схемы слежения за несущей, имеющим вид

где
- длина волны несущей;
B ССН - ширина полосы схемы слежения за несущей. Шумовая погрешность измерений приращений дальностей на частоте несущей практически на порядок меньше шумовой погрешности измерений дальностей с использованием дальномерных кодов. Дальномерный способ не позволяет, например, из-за различий в СРНС ГЛОНАСС и GPS совместно их использовать. Таким образом, недостатками известного способа, прототипа, являются
ошибки следящей системы за задержкой от отношения сигнал/шум;
ошибки следящей системы за несущей от отношения сигнал/шум;
ошибки, обусловленные условиями распространения радиоволн в ионосфере, тропосфере и другими факторами;
ошибки, обусловленные сдвигом шкалы времени объекта относительно шкал времени НИСЗ за счет нестабильности частот генераторов спутников и опорного генератора объекта;
невозможность совместного использования источников радиоизлучений систем различного назначения. Для устранения ионосферной задержки в известных способах используется аппаратурная компенсация с помощью двухчастотных измерений и компенсация с помощью поправок, рассчитываемых по априорным данным. Известный способ (прототип) характеризуется следующей совокупностью действий над принимаемыми спутниковыми радионавигационными сигналами:
прием N-канальным приемным устройством двухчастотных радиосигналов N НИСЗ;
определение дальностей от объекта до каждого спутника путем измерения временных сдвигов кодовых последовательностей, формируемых генераторами спутников относительно кодовой последовательности, формируемой генератором объекта;
измерение приращений дальностей путем измерения приращений фаз несущих;
определение координат местоположения объекта;
определение составляющих вектора скорости объекта. Целью изобретения является повышение точности определения координат местоположения, составляющих вектора скорости определяющегося объекта по навигационным радиосигналам КА СРНС и с использованием радиосигналов наземных воздушных источников радиоизлучений, а также с использованием радиоизлучений КА других систем и их имитаторов. Цель достигается тем, что по предлагаемому способу в N-канальном приемном устройстве, один из которых является ведущим, а другие - ведомыми каналами, производят определение разности дальностей между дальностями, измеренными ведомыми приемными устройствами, и дальностью, измеренной ведущим приемным устройством, а также определение разностей скоростей изменения дальностей между скоростями изменения дальностей, вычисленными по измерениям доплеровских сдвигов частоты ведомыми приемными устройствами, и скоростью изменения дальности, вычисленной по измерению доплеровского сдвига частоты ведущим приемным устройством, затем производят определение двойных разностей дальностей и двойных разностей скоростей изменения дальностей путем взаимного вычитания друг из друга разностей дальностей и разностей скоростей изменения дальностей. Дополнительными отличиями предлагаемого способа являются следующие. Ведущим и приемным устройствами определение разностей дальностей производят между объектом и двумя положениями спутников, определяемыми мерным интервалом путем измерения приращений фаз несущих с использованием фазовых автоподстроек частот систем слежения за несущими навигационных радиосигналов спутников. Определение двойных разностей дальностей производят между объектом и двумя положениями спутников, определяемыми мерным интервалом, путем измерения разностей частот Доплера, принятых приемными устройствами с использованием квадратурных фазовых детекторов, умножив их средние значения на мерный интервал. Приемное устройство ведущего канала принимает сигналы имитатора спутниковых сигналов. Выделение сигналов с частотами Доплера производят путем возведения принимаемых сигналов в квадрат с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Геометрическая интерпретация предлагаемого способа поясняется на примере созвездия четырех КА ГЛОНАСС и одного КА GPS, фиг. 1. Принимаемый приемным устройством навигационный радиосигнал КА GPS является ведущим сигналом, а канал приема приемным устройством сигналов КА ГЛОНАСС - ведомым. Соответственно навигационные сигналы КА ГЛОНАСС, приемное устройство КА являются ведомыми. В соответствии с вышеизложенным

где
- разность измеренных дальностей между каждым ведомым КА ГЛОНАСС - пользователь и между ведущим КА GPS - пользователь с использованием дальномерных кодов;
- двойные разности дальностей. Геометрическая интерпретация определения координат и составляющих вектора скорости по разностям приращений дальностей и двойных разностям приращений, измеренных с использованием приращений фаз несущих, поясняется на примере двух КА: ведущего КА и одного ведомого КА ГЛОНАСС, фиг. 2. Точками t 1 , t * , t 2 обозначены положения НИСЗ на орбите, являющиеся границами отсчетов навигационного параметра (мерный интервал). Разности приращений дальностей запишутся следующим образом соответственно:

Двойные разности приращений дальностей примут вид

Разности дальностей в квадратных скобках системы уравнений (1) проявляют свои достоинства, как это было показано выше на таких расстояниях (базах) между положениями НИСЗ на орбите, когда они соизмеримы с расстоянием между НКА и определяющимся объектом. В нашем примере базы незначительны. Для выполнения этого условия систему уравнений (2) преобразуют в тождественную систему уравнений, у которой данное условие выполняется:

Таким образом, из системы разностей дальностей для орбит НКА с тождественными параметрами орбит для созвездия из 5 НКА один GPS - ведущий, четыре ГЛОНАСС - ведомые. Окончательные системы уравнений для двойных разностей дальностей (1) и для двойных разностей приращений дальностей (3), выраженные через координаты в геометрической прямоугольной системе координат, примут вид
для двойных разностей дальностей
,
Для двойных разностей приращений дальностей
;
;
,
где
- координаты ведомых НИСЗ, передаваемые в навигационных сообщениях в моменты времени t 1 , t 2 соответственно. Аналогично с использованием результатов измерений с помощью ССН определяются составляющие вектора скорости:
;
;
,
где
- составляющие вектора скорости НИСЗ, передаваемые в навигационных сообщениях в моменты времени t 1 , t 2 соответственно. Анализируя системы навигационных уравнений двойных разностей дальностей (4), двойных разностей приращений дальностей (5) и скоростей (6) с использованием ведущего, ведомых радиосигналов НИСЗ и соответствующих приемных устройств, каналов, видим, что в уравнениях компенсируются координаты ведущего НИСЗ GPS, компенсируются также погрешности, обусловленные расхождением шкал времени и частот GPS, ГЛОНАСС относительно шкалы времени, частоты объекта. Если в навигационных уравнениях известного способа присутствуют погрешности, обусловленные ионосферой, тропосферой, то в уравнениях предлагаемого способа с использованием двойных разностей дальностей присутствуют их разности. Для обеспечения высокой точности решения навигационной задачи, обусловленной геометрическим фактором определения положения в пространстве, положение КА в пространстве выбирается таким, при котором один КА находится в зените (обеспечивая высокую точности определения положения по вертикали), а остальные КА - в горизонтальной плоскости в направлениях, отличающихся друг от друга на 120 - 180 o (обеспечивая высокую точность определения положения по горизонтали) в зависимости от количества используемых КА. Таким образом, предлагаемый способ, несмотря, например, на серьезные различия в ГЛОНАСС и GPS, в способах задания эфемерид, в компоновке суперкадров и структур кадров служебной информации, в неидентичности используемых систем отсчета пространственных координат и различии шкал времени, формируемые от различных эталонов частоты и времени, позволяет совместное их использование, не проводя их в требуемое соответствие, т.е. без всяких организационных материальных доработок и доработок математического обеспечения систем. Принимая радионавигационные сигналы КА ГЛОНАСС и GPS параллельно или последовательно, используя мультиплексное приемное устройство или многоканальное, а также беря в одной серии измерений в качестве ведущих КА GPS, а в качестве ведомого КА ГЛОНАСС и наоборот в другой серии, можно определить координаты и составляющие вектора скорости объекта как в координатно-временной системе GPS, так и в координатно-временной системе ГЛОНАСС, не приводя их в соответствие. Совместное использование систем обеспечит определенную универсальность навигационных определений, надежность и достоверную обсервацию за счет сравнения результатов определений по разным системам для выявления случаев нарушения функционирования одной из систем. Под надежностью навигационного обеспечения понимается способность навигационной системы в любой момент времени обеспечить объект информацией для определения местоположения с точностью, гарантированной для рабочей зоны. Под достоверностью понимается способность навигационной системы выявлять отклонения в своем функционировании, приводящие к ухудшению точности определения координат и составляющих вектора скорости объекта за пределы заданных допустимых значений. Если система навигационных уравнений двойных разностей предлагаемого способа с использованием измерений с помощью дальномерных кодов (1) является по сути системой уравнений разностей дальностей, то система навигационных уравнений двойных разностей приращений дальностей, измеренных с помощью приращений фаз несущих на мерном интервале (2), является системой уравнений двойных разностей дальностей и также позволяет решить навигационную задачу - определить координаты местоположения и составляющие вектора скорости объекта. Поскольку, как это было показано выше, точность измерений двойных разностей приращений фаз на несущих частотах на порядок выше точности измерений разностей временных сдвигов кодовых последовательностей, то и точность решения навигационной задачи с использованием приращений фаз также выше точности решения с использованием разностей дальностей. В целях дальнейшего повышения точности решения навигационной задачи с использованием приращений фаз на несущих частотах за счет исключений из измерений погрешности, обусловленной ССН, двойные разности приращений дальностей производятся путем выделения из принятых сигналов с частотами, равными разностям частот Доплера, с использованием квадратурных фазовых детекторов, на первые выходы которых поступают сигнал ведущего, а на вторые входы - сигналы ведомых приемных устройств, затем производятся определение разностей приращений фаз путем умножения средних значений разностей частот Доплера на мерный интервал и определения двойных разностей приращений фаз путем их взаимного вычитания. Изложенное соответствует аппаратурной реализации, блок-схема которой приведена на фиг. 3. Выделение сигналов с частотами Доплера при приеме фазомодулированных сигналов с подавленными несущими производится путем возведения их в квадрат и фильтрации с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Сигналы с выходов устройств свертки, которые поступают на системы ФАПЧ ССН приемных устройств фиг. 3, в режиме синхронизма по задержкам дальномерных кодов являются значительно узкополосными сигналами - восстановленные несущие, промодулированные цифровой информацией. Диапазоны изменения значений несущих определяются в основном доплеровским смещением ( 50 кГц на частотах КА GPS, ГЛОНАСС), а ширина спектра сигнала - спектром цифровой информации ( 100 Гц). Сигналы ФАПЧ могут отслеживать сигналы, соответствующие только одной из двух боковых полос, и, следовательно, обладают энергетическими потерями, равными 3 дБ. Поэтому подключение устройств выделения из принятых навигационных сигналов, равных разностям частот Доплера предлагаемого способа фиг. 3, исключающих вторые боковые полосы, не вносит дополнительные энергетические потери. Принятые и преобразованные спутниковые навигационные радиосигналы, поступающие на квадратурные фазовые детекторы, несут уже в себе сдвиги частот, обусловленные нестабильностями генераторов КА, объекта, обусловленные условиями распространения радиоволн (ионосфера, тропосфера), сдвиги, обусловленные приемными трактами и другими факторами. Поэтому в процессе выделений колебаний с частотами, равными разностям частот Доплера предлагаемого способа, перечисленные частотные отклонения частично компенсируют друг друга. И уже при тройных разностях вклад их в точность навигационных определений будет незначительным. При использовании для решений навигационной задачи приращения фаз влияния приращений фаз на точность за счет ионосферы, тропосферы для крайних точек мерного интервала отличаются мало и при образовании вторых разностей практически устраняются. Особым отличительным признаком предлагаемого способа является то, что при измерениях разностей приращений фаз с использованием колебаний, равных разностям частот Доплера, в качестве ведущего сигнала можно использовать сигнал любого источника излучения: наземного, воздушного базирования или излучения КА других систем. В этом случае основное требование к приемному устройству определяющегося объекта это возможность принять сигнал и преобразовать его таким образом, чтобы он обеспечил работу блока квадратурных фазовых детекторов. Причем координаты источников излучения, их временные системы, нестабильности частот и приращения частот за счет распространения радиоволн знать не требуется. Они компенсируются в процессе навигационных измерений. Самым оптимальным вариантов аппаратурной реализации предлагаемого способа является вариант, когда в качестве ведущего сигнала приемного устройства объекта используются сигналы несущих, промодулированные дальномерными кодами имитаторов. Имитаторы позволяют оптимизировать скорость изменения частот конкретно для каждого типа навигационных систем и тем самым обеспечить их оптимальную работу с точки зрения получения потенциально возможной точности определения координат местоположения и составляющие вектора скорости объекта. Отличительные признаки предложенного способа:
прием N-канальным приемным устройством навигационных радиосигналов N спутников, один из каналов которого является ведущим, а другие - ведомыми;
определение разностей приращений дальностей и разностей дальностей путем вычитания из измеренных приращений фаз несущих и временных сдвигов кодовых последовательностей ведомыми приемными устройствами приращения фазы несущих и временного сдвига кодовой последовательности, измеренных ведущим приемным устройством;
определение двойных разностей дальностей приращений дальностей и дальностей путем взаимного вычитания разностей двойных разностей приращений фаз несущих и разностей временных сдвигов кодовых последовательностей в последовательности, определяемой геометрическим фактором определения положения в пространстве;
использование разностей двойных разностей приращений фаз несущих для определения координат и составляющих вектора скорости объекта;
измерение двойных разностей приращений дальностей путем выделения сигналов с частотами, равными разностям частот Доплера, принятых ведущим и каждым ведомым каналами приемного устройства с использованием квадратурных фазовых детекторов, на первые входы которых поступают сигналы ведущего канала, а на вторые входы - сигналы ведомых, и умножением их средних значений на мерный интервал;
прием ведущим каналом приемного устройства радиосигналов наземных, воздушных источников радиоизлучений и радиоизлучения космических аппаратов других систем;
использование ведущими каналами приемного устройства в качестве сигнала имитаторов;
выделение сигналов с частотами Доплера при приеме фазомоделированных сигналов с подавленными несущими путем возведения их в квадрат и фильтрации с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Таким образом, предложенный способ определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов по радиосигналам КА СРНС обладает новизной, существенными отличиями и дает при использовании положительный эффект, заключающийся в повышении точности, надежности и достоверности навигационных определений спутниковых и наземных радионавигационных систем.

Существуют три основных метода определения пространственных координат объектов:

линий и поверхностей положения;

корреляционно-экстремальный;

счисления пути.

Но последние два в настоящее время применимы только для автономных навигационных систем, т.е. при определении местоположения на самом ЛА. Определение координат целей в настоящее время основывается на применении метода линий и поверхностей положения.

Общность физических основ радиодальнометрии и радиопеленгации находит выражение еще в том, что местоположение цели можно установить не только по ее дальности и углам, измеренным из одной точки О (рис. 1.3), но и путем измерения дальности или углов из разнесенных опорных точек и,(рис. 1.7). Наибольшее применение получили дальномерный, разностно-

дальномерный, угломерный (пеленгационный) и дальномерно-угломерный

(комбинированный) методы определения местоположения целей.

Рис. 1.7. Методы определения местоположения объектов:

а – дальномерный; б – разностно-дальномерный; в – пеленгационный (уг-

ломерный)

В радиолокации для определения местоположения цели (объекта) чаще всего применяют позиционный метод, основанный на использовании поверхностей или линий положения для определения места объекта в пространстве или на поверхности Земли. Поверхность положения представляет собой геометрическое место точек в пространстве, отвечающих условию постоянства параметра (измеряемой координаты относительно опорного пункта (дальности, угла и т.п.)).

Местоположение ЛА в пространстве находится как точка пересечения трех поверхностей положения (ПП). Пересечение двух поверхностей положения дает линию положения (ЛП), которая является геометрическим местом точек с постоянными значениями двух параметров. Чтобыопределить точку в пространстве, требуется пересечение трех поверхностей положения или линии и поверхности положения. В случае нахождения цели иопорных пунктов в одной плоскости достаточно двух ЛП (определения двухкоординат цели, которые измеряются двумя РЛУ) (рис. 1.7).

Дальномерный метод заключается в определении местоположения цели М

(рис. 1.7, а) измерением расстояний между целью и опорными пунктами ,.

Каждая поверхность положения представляет собой сферу с центром в опор-

ном пункте и радиусом, равным дальности. Так как точки М , ,находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусамиис точкой пересечения на целиМ . Имеется еще одна точка пересечения окружностей, но неоднозначность измерений можно исключить.

Разностно-дальномерный метод (рис. 1.7, б) требует наличия на плоскости двух пар опорных пунктов ,и,. Один из них обычно общий

(). Каждая пара станций используется для получения ЛП в виде гипербол сфокусами в опорных пунктах. Эти линии строятся как геометрические места

точек с постоянной разностью расстояний: оти;оти. Точка пересечения гипербол совпадает с целью М.

Угломерный (пеленгационный) метод основан на использовании направленных свойств антенн. Этот метод реализуется посредством радиопеленгатора,установленного на объекте М, и двух радиомаяков, расположенных в опорныхпунктах и(рис. 1.7, в) с базой b.

Радиопеленгатор представляет собой радиоприемное устройство с направленной антенной, а радиомаяк - передающее устройство с ненаправленной антенной. Пеленгатор измеряет азимуты маякаимаяка, и так как ЛПс постоянными пеленгами (= const,= const) представляют собой прямые, проходящие под углами,к направлению юг - север, то они имеют одну точку пересечения, которая является искомой, т. е. совпадает с целью М.

Дальномерно-угломерный метод (рис. 1.2, 1.3, 1.8) требует применения только одной станции, содержащей радиодальномер и радиопеленгатор. Из точки стояния станции О дальномер определяет наклонную дальность цели, а пеленгатор устанавливает направление на цель, т. е. ее азимут α и угол места β.

Цель М находится на пересечении поверхности положения дальномера в виде шара радиуса и ЛП пеленгатора - в виде прямой с угловыми координатами α и β, проходящей через точку О. Этот метод наиболее характерен для радиолокации, а остальные методы - для радионавигации. Однако и в радиолокации местоположение цели определяют иногдаиз двух и более точек. Например, если обычная PЛС производит пеленгацию сбольшими ошибками, то прибегают к дальномерному методу, а если дальномерную часть РЛС нельзя использовать из-за сильных помех или вследствиеприменения пассивной радиолокации, то прибегают к пеленгационному методу.

Рис. 1.8. ПП при определении местоположения объекта позиционным (даль-

номерно-пеленгационным) методом

Таким образом, в радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП. Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Заключение

1. В отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризация и т.д.).

2. В современной радиолокации используются местные и глобальныеСК. Местные СК подразделяются на цилиндрические и сферические СК, глобальные СК – на географические и геосферические.

3. По принципам образования радиолокационных сигналов методы радиолокации разделяются на активные, полуактивные и пассивные. На практике часто их совмещают при проектировании радиолокационных систем.

4. В радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП.

Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Контрольные вопросы :

1. Принцип измерения дальности в радиолокации.

2. Принцип пеленгации в радиолокации.

3. Принцип измерения скорости в радиолокации.

4. Основные элементы сферической СК, используемой в радиолокации.

5. Основные элементы цилиндрической СК, используемой в радиолокации.

6. Основные элементы географической СК.

7. Основные элементы геоцентрической СК.

8. Сущность активных методов формирования радиолокационного сигнала.

9. Сущность полуактивного и пассивного методов формирования радиолокационного сигнала.

10. Сущность дальномерного и разностно-дальномерного методов определения местоположения объекта.

11. Сущность угломерного и дальномерно-угломерного методов определения местоположения объекта.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материалы лекции.

2. Подготовиться к контрольной работе по контрольным вопросам.

Литература:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. –

М.: Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

Этот метод основан на измере­нии расстояния R между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками. В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчи­ка ответчика (рис. I.5.1) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса t 3 и ответа t о одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность

В ка­честве ответного может быть использован также и от­раженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы явля­ется поверхность шара радиусомR . Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми . При этом местоположение объекта определяется как точка пересече­ния двух линий положения. Так как окружности пересека­ются в двух точках (рис. 2.3), то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнитель­ные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти ко­ординаты с высокой точностью. В свою очередь дальномерные системы делятся на

Радиодальномеры без ответчика;

радиодальномеры с ответчиком;

радиовысотомеры.

Принцип работы радиодальномер без ответчика заключается в том, что при измерении расстоянии между опорной точкой на Земле и объектом (целью) измеряется интервал времени между моментом посылки радиоимпульса наземным радиопередатчиком и моментом приема его бортовым радиоприемником. Для этого на борту и на земле должны быть эталоны времени, которые синхронизируют работу на­земной и бортовой аппаратуры. Параметром радиодаль­номера без ответчика будет расстояние между запросчиком и объектом (целью).

В радиодальномерах с ответчиком из­меряется интервал времени между радиоимпульсами за­проса и ответа. Параметром такого радиодальномера будет удвоенное расстояние между запросчиком и ответ­чиком.

Параметром радиовысотомера является удвоенная высо­та ЛА над поверхностью земли.

Радиодальномерные ме­тоды начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых из­мерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод.

С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: А и В. Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхрони­зация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигна­лов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую форму гиперболоида. Если приемоиндикатор и станции А и В расположены на поверхности Земли, то измерение
позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с
. Для двух станций можно построить семейство гипербол с фо­кусами в точках расположения станцийА и В. Расстояние между станциями называют базой . Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранее и оцифровы­вают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. II.2.3), база которой d 2 должна быть расположена под углом к базе d 1 первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций В 1 и В 2 . Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местополо­жение объекта (цели) по приемоиндикатору (ПИ) расположенного на борту. Точность разностно-дальномерной системы выше точ­ности угломерной и приближается к точности дальномерной. Достоинством данного метода является неограничен­ная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, прохо­дящие через центр базы каждой пары станций системы. Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превы­шающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная система может быть использована как угломерная.

В зависимости от видов сигналов наземных станций и метода измерения временного сдвига сигналов принимаемых ПИ различают:

им­пульсные;

• импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС.

Принцип импульсной разностно-дальномерной си­стемы был предложен советс­ким инженером Э. М. Рубчинским в 1938 г., но широкое распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Пе­рвая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 519.711.3

Метод определения координат и параметров движения нелинейно движущегося объекта с использованием только угломерной информации

Пюннинен Сергей Александрович

Северо-западный государственный заочный технический университет,

Санкт-Петербург, Россия

Аннотации

В статье рассмотрен метод расчета оценки траектории нелинейно движущегося объекта с использованием только угломерной информации. Метод обладает свойствами непрерывности, робастности и позволяет повысить точность определения параметров движения по сравнению с существующими методами

Ключевые слова: ТРАЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗ, АПРОКСИМАЦИЯ, НЕЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ, УГЛОМЕРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ ДВИЖЕНИЯ

METHOD OF DETECTION OF COORDINATES AND MOTION PARAMETERS FOR NONLINEAR MOTION OBJECT USING BEARINGS-ONLY INFORMATION

Pyunninen Sergei Alexandrovich

North-West State Technical Universities,

St. Petersburg, Russia

The article describes the method of calculating the estimation trajectory of a nonlinear moving object using bearings-only information. The method has the properties of continuity, robustness, and improves the accuracy detection of the parameters motion in comparison with existing methods

Keywords: TRAJECTORY ANALYSIS, APPROXIMATION, NONLINEAR MOTION, BEARINGS-ONLY INFORMATION, MOTION PARAMETERS

Введение

Одними из наиболее сложных видов алгоритмов в навигационных системах, являются алгоритмы определения координат и параметров движения объектов (КПДО) по угломерной информации . На сегодняшний день, существует несколько математических методов пригодных для реализации указанных алгоритмов, при этом каждый из них обладает рядом существенных ограничений в области определения КПДО нелинейно движущихся объектов . Применение методов системного анализа позволило нам сформулировать новую постановку задачи и выработать на её основе новый метод решения, обладающий рядом существенных преимуществ.

Постановка задачи

Объект наблюдения (ОН) движется в двумерном пространстве по гладкой траектории, которая представляет собой функцию вектора координат от времени, и заключает в себе всю полноту информации о положении, параметрах и характере движения наблюдаемого объекта.

Траектория наблюдателя, описывается аналогичной функцией, полагающейся известной и адекватной реальным положению и параметрам движения наблюдателя.

В дискретные моменты времени, выбранные на равномерной сетке с началом координат и шагом, наблюдатель осуществляет измерение угла пеленга на объект наблюдения. Под углом пеленга понимается угол между направлением на север и направлением на объект наблюдения.

Наблюдение угла пеленга производится с некоторой ошибкой - называемой ошибкой измерений и считающейся распределенной по нормальному закону распределения .

Необходимо по данным наблюдения восстановить траекторию движения цели с заданной точностью.

Метод N-полиномов

Задача построения траектории объекта наблюдения представляет собой задачу построения функции аппроксимирующей некие дискретные значения, полученные в результате обработки наблюдений.

Для решения этой задачи требуется ввести функцию реализующую связь данных наблюдения с оцениваемыми параметрами.

Сделаем это посредством задания уравнения прямой, проходящей через позиции наблюдателя и ОН и являющейся линией пеленга (рисунок 1).

Рисунок 1. Определение линии пеленга на ОН.

Координаты наблюдателя, - координаты ОН, P - угол пеленга на ОН.

Уравнение прямой имеет вид:

где - линейный угловой коэффициент.

Будем полагать, что наблюдатель движется по траектории, описываемой функциями.

Для нахождения функции траектории движения объекта построим аппроксимирующие функции координат от времени наблюдения, выражая их посредством линейной комбинации ортогональных многочленов, например полиномов:

где - полиномы Чебышева 1-го или 2-го рода ;

Приведенное время наблюдения.

Сетку дискретизации для каждого из измерений рассчитаем по формуле:

где - время -того наблюдения, - время первого наблюдения,

Время последнего наблюдения.

В ходе решения задачи, мы получаем данные о положении наблюдаемого объекта в виде углов пеленга, которые затем преобразуются в угловые коэффициенты для уравнения (1) следующим образом:

В силу вычислительных особенностей тригонометрических функций, присутствующий в данных наблюдения углов пеленга шум оказывает неравномерное воздействие на точность вычислений при различных значениях аргумента функции.

Для минимизации влияния шумовых возмущений для каждого уравнения наблюдения будем осуществлять тождественное преобразование координат, поворачивающее базовую систему координат таким образом, чтобы углы наблюдения в новой системе координат были близки к 0°.

Для этого, осуществим поворот координат на угол, который будем выбирать таким образом, чтобы. При этом угловой коэффициент в уравнении (1) примет вид:

Запишем координаты объекта наблюдения в системе повернутых координат

Аналогичные преобразования выполним и для координат наблюдателя.

Переписав уравнение (1) для повернутой системы координат и сгруппировав известные члены в правую часть, получим:

Учитывая (5) и подставив (6) в (7) получим:

Обозначим

Для удобства запишем (8) как:

Подставив аппроксимирующие функции (2) в (9) для каждого из произведенных наблюдений, а затем, преобразовав полученную систему к матричному виду, получим матричное уравнение:

Здесь (11) представляет собой матрицу наблюдений, а (13) вектор столбец, содержащий координаты наблюдателя.

Решив систему (10) относительно X, мы найдем коэффициенты. траектория нелинейный движение угломерный

Подставив найденные коэффициенты (2), мы получим искомые функции, определяющие траекторию движения объекта наблюдения.

Применение системы ортогональных полиномов Чебышева позволяет вести наблюдения за объектом на равномерной временной сетке, при этом количество измерений может превышать 2*n, где n- степень полинома, аппроксимирующего траекторию объекта.

В данном случае, необходимо привести матрицу A к квадратному виду. Для решения данной задачи воспользуемся широко применяемым методом наименьших квадратов, который позволит осуществить дополнительную фильтрацию измерений. В результате система (10) примет вид:

Дальнейшее решение системы осуществляется аналогично решению системы (10).

Сравнительный анализ точности определение параметров движения для исследуемых методов

Далее приведем основные результаты сравнительного моделирования ошибки определения дистанции до наблюдаемого объекта по методу N-пеленгов и Методу N- полиномов.

На рисунках 2-5 представлены результаты для различных типов движения объекта наблюдения.

Рисунок 2. Ошибка определения дистанции до ОН, при равномерном прямолинейном движении.

Рисунок 3. Ошибка определения дистанции до ОН при равноускоренном прямолинейном движении.

Заштрихованная поверхность - метод N-пеленгов;

Каркасная поверхность - метод N-полиномов.

Рисунок 4. Ошибка определения дистанции до ОН при нелинейном движении.

Заштрихованная поверхность - метод N-пеленгов;

Каркасная поверхность - метод N-полиномов.

Рисунок 5. Ошибка определения дистанции до ОН при равномерном движении с изменением курса.

Заштрихованная поверхность - метод N-пеленгов;

Каркасная поверхность - метод N-полиномов.

Распределение осей на графиках 2-5:

– Ось N- порядковый номер дискретного наблюдения;

– Ось S- максимальный уровень шума при наблюдении угла пеленга (в угловых минутах);

– Ось E- ошибка определения дистанции (в % от дальности до ОН).

Для каждого, представленного на графике типа движения расчет произведен по данным серии из 1000 вычислительных экспер иментов.

Параметры экспериментов: моделирование шума определения угла наблюдения по нормальному закону с макс. уровнем шума - 60", время наблюдения - 600 с., период дискретных наблюдений - 15 с., начальная дистанция до наблюдаемого объекта - 3000 м.

Рис. 2 показывает практическую эквивалентность исследуемых методов для случая равномерного прямолинейного движения ОН. Из приведенных на рис. 3-5 графиков видно, существенное улучшение точности определения дистанции при использовании метода N-полиномов для нелинейно движущегося объекта.

Сводные данные по проведенным сравнительным исследованиям точности определения КПДО для различных типов движения, приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение ТОЧНОСТИ определения КПДО по методу N-пеленгов и методу N-полиномов

Тип движения объекта	Макс. уровень шума,	Ошибка определения дистанции, %	Ошибка определения модуля скорости, %
		Метод N-пеленгов	Метод N-полиномов	Метод N-пеленгов	Метод N-полиномов
Равномерное прямолинейное
Равноускоренное прямолинейное
По параболе с постоянным ускорением
Равномерное с изменением курса

Обсуждение результатов

Предложенный метод относится к классу геометрических методов и обладает значительной вычислительной простотой и позволяет:

1) осуществлять адекватную оценку траекторий ОН различного уровня сложности, в том числе и нелинейных траекторий;

2) осуществлять последующую оценку вектора скорости, ускорения, скорости изменения ускорения ОН, путем анализа функции координат ОН от времени;

3) осуществлять непрерывное решение задачи, в не зависимости от параметров движения ОН;

4) формировать более точные оценки КПДО по сравнению с применяемым на практике методом N-пеленгов, в случаях нелинейного движения наблюдаемого объекта;

5) осуществлять решение задачи в трехмерном пространстве. Для этого потребуется дополнить систему (2) уравнением, учитывающим высоту места наблюдаемого объекта, и расширить матричное уравнение (10) соответствующими уравнениями наблюдения.

Метод может быть применен:

1) в качестве самостоятельного метода определения КПДО нелинейно движущихся ОН;

2) в качестве альтернативного метода определения параметров движения линейно движущихся объектов;

3) в качестве метода выработки предварительных оценок в составе адаптивных и других методов, требующих задания предварительных оценок параметров движения объектов.

Список используемой литературы

1. Benlian Xu. An adaptive tracking algorithm for bearings-only maneuvering target / Benlian Xu, Zhiquan Wang // IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 2007.- January. Vol. 7, no. 1. - Pp. 304-312.

2. Hammel S.E. Optimal observer motion for localization with bearing measurements / S.E.Hammel, P.T.Liu, E.J.Hilliard, K.F.Gong.- Computers and Mathematics with Applications:-18 (1-3).-1989.- pp. 171-180.

3. Landelle B. Robustness considerations for bearings-only tracking/B. Landelle/ Information Fusion 11th International Conference on - France: Thales Optronique, Universite Paris-Sud, - 2008. - P. 8

4. Li. R. Survey of maneuvering target tracking. part I. dynamic models. /R. Li and V.P. Jilkov/Aerospace and Electronic Systems,- IEEE Transactions on 39(4), 2004.- Pp. 1333-1364.

5. Middlebrook D.L. Bearings-only tracking automation for a single unmanned underwater vehicle: Thesis (S.M.) Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2007.

6. Sang J.S. Input estimation with multiple model for maneuvering target tracking / Sang Jin Shin, Taek Lyul Song// Control Engineering Practice, 2002.-December. Vol. 10, no. 12. - Pp. 1385-1391.

7. Кудрявцев К. В. Исследование и разработка метода рационального определения параметров движения морских объектов по угломерной информации. / К. В. Кудрявцев/ Дис. канд. техн. Наук. - Москва, 2006.- 116с.- РГБ ОД, 61: 06-5/3066.

8. Павлов Б.В., Современные методы навигации и управления движением: модели и методы обработки информации в задачах управления движением / Б.В. Павлов, Д.А. Гольдин// Общероссийский семинар «Проблемы управления»// Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.- 2010. - №3.- Сс. 79-82.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Методика экспериментального определения кривых разгона объекта управления по каналам регулирования и возмущения для напорного бака. Динамические характеристики объекта управления, математическое описание динамики линейным дифференциальным уравнением.

лабораторная работа , добавлен 14.12.2010


Вывод уравнения движения маятника. Кинетическая и потенциальная сила энергии. Определение всех положений равновесия. Исследование на устойчивость. Аналитический и численный расчет траектории системы. Изображение траектории системы разными способами.

контрольная работа , добавлен 12.04.2016


Моделирование непрерывной системы контроля на основе матричной модели объекта наблюдения. Нахождение передаточной функции формирующего фильтра входного процесса. Построение графика зависимости координаты и скорости от времени, фазовой траектории системы.

курсовая работа , добавлен 25.12.2013


Понятие и сущность системы со структурным резервированием. Классификация и разновидности. Описание особенностей каждого из разновидностей. Определение вероятности работоспособного состояния объекта. Уровень надежности объекта резервирования, его расчет.

курсовая работа , добавлен 05.03.2009


Понятие о многокритериальной оптимизации. Линейное и математическое программирование, дающие численные решения многомерных задач с ограничениями. Решение задачи на ранжирование для определения оптимального объекта, исходя из определяющих его параметров.

реферат , добавлен 31.05.2014


Разработка методики оценки состояния гидротехнического объекта, подверженного воздействию наводнений различной природы, с использованием теории нечетких множеств. Моделирование возможного риска с целью решения задачи зонирования прибрежной территории.

курсовая работа , добавлен 23.07.2011


Аналитическое и компьютерное исследования уравнения и модели Ван-дер-Поля. Сущность и особенности применения методов Эйлера и Рунге-Кутта 4 порядка. Сравнение точности метода Эйлера и Рунге-Кутта на одном графике, рисуя фазовые траектории из 1 точки.

курсовая работа , добавлен 06.10.2012


Математические модели технических объектов и методы для их реализации. Анализ электрических процессов в цепи второго порядка с использованием систем компьютерной математики MathCAD и Scilab. Математические модели и моделирование технического объекта.

курсовая работа , добавлен 08.03.2016


Основные определения. Алгоритм решения. Неравенства с параметрами. Основные определения. Алгоритм решения. Это всего лишь один из алгоритмов решения неравенств с параметрами, с использованием системы координат хОа.

курсовая работа , добавлен 11.12.2002


Расчет с использованием системы MathCAD значения функций перемещения, скорости и ускорения прицепа под воздействием начальных их значений без учета возмущающей силы неровностей дороги. Оценка влияния массы прицепа на максимальную амплитуду колебаний.