Радиотехническая система

Радиотехническая система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике связи, а конкретнее - к радиотехническим системам передачи и приема радиосигналов и извлечения информации в приемной информационной системе. К таким системам относятся, в частности, радионавигационные и радиолокационные системы, системы радиоразведки радиотехнических средств, радионаблюдения поверхности Земли и др. [1. Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, стр.7]. Заявляемая система содержит расположенную на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте, стационарном или подвижном, информационную систему и N радиотехнических объектов, передающих радиосигналы на указанный принимающий их радиотехнический объект, в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, с фиксированными или заданными во времени координатами фазовых центров антенн. Источниками радиосигналов могут быть как наземные пунктовые передающие системы, так и спутниковые или иные подвижные радионавигационные системы.

Реализация системы позволит, в том числе, определить пространственные координаты радиотехнических объектов, а при необходимости и другие траекторные характеристики, зависящие от координат и времени, упростить соответствующие системы извлечения информации, увеличить их технико-экономическую эффективность с учетом всех компонентов, влияющих на стоимость и технические показатели.

Известные системы извлечения информации используются, в том числе, для определения координат радиотехнических объектов и основаны 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 №№2018855, 2115137, 2258242, 2264598, 2309420, 2325666, 2363117, 2371737, 2378660; 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, гл.10.; Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. - М.; «Радиотехника», 2008, гл.5]. Известные системы имеют те или иные недостатки, например, необходимость механического перемещения антенной системы, необходимость априорной информации о местоположении объекта, невозможность однозначного определения координат объекта, недостаточную надежность. По критерию минимальной достаточности наиболее близким аналогом является радиотехническая система, содержащая расположенную на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте, стационарном или подвижном, информационную систему, выполненную с возможностью предварительного получения координат xo, yo, zo фазового центра приемной антенны упомянутого радиотехнического объекта и N радиотехнических объектов, передающих радиосигналы на принимающий их радиотехнический объект, в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, соответственно с фиксированными или заданными во времени координатами не расположенных в одной плоскости фазовых центров их передающих антенн. Такая система используется в известном разностно-дальномерном методе определения координат объекта [1. Радиотехнические системы / Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: ИЦ «Академия», 2008, с.17-18, п.п.7.1-7.4].

Преимуществом заявляемой системы по сравнению с известными является возможность повышения технико-экономической эффективности радиотехнических комплексов определения пространственных координат и других характеристик объекта, функционально связанных с его координатами, в том числе, обеспечение точности и достоверности их определения в соответствии с современными требованиями. Это достигается тем, что пространственные координаты определяют через вновь введенные блоки, выполненные с возможностью определения введенных параметров b_k и форм-факторов A_j, определяющих расположение источников радиосигналов, и вычисления координат с использованием простых выражений. Благодаря этому достигается более высокие быстродействие, однозначность и точность определения координат.

Для достижения указанного технического результата в соответствии с настоящим изобретением в радиотехнической системе, содержащей расположенную на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте, стационарном или подвижном, информационную систему, выполненную с возможностью предварительного получения координат xo, yo, zo фазового центра приемной антенны упомянутого радиотехнического объекта в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z), соответственно, и N радиотехнических объектов, передающих радиосигналы на указанный принимающий их радиотехнический объект, в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, соответственно с фиксированными или заданными во времени координатами в упомянутой системе координат x_n, y_n, z_n, где n изменяется от 1 до N, не расположенных в одной плоскости фазовых центров их передающих антенн, выполненных с возможностью передачи радиосигналов одновременно или каждый с упорядоченно заданными задержками во времени, передающие радиосигналы радиотехнические объекты функционально связаны со средствами синхронизации, расположенные на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте регистратор моментов времен приема радиосигналов в заданной системе отсчета времени, выполненный с возможностью исключения указанных упорядоченно заданных задержек во времени и при необходимости выполненный с возможностью суммирования указанных моментов времен, определения их среднего значения, исключения из каждого момента времени этого среднего значения и получения таким образом зарегистрированных моментов времен t_n, функционально связанный с указанными передающими радиосигналы радиотехническими объектами, блок вычисления параметров d_n=υt_n, где υ - скорость распространения радиосигналов, функционально связанный с регистратором, и подсистему определения пространственных координат x, y, z фазового центра антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта, содержащую, в том числе, блок предварительного получения координат xo, yo, zo, блок хранения упомянутых пространственных координат x_n, y_n, z_n и блок вычисления параметров D_n, ξ_n, η_n, θ_n, a _i, A_j, где D_n - расстояния между точкой с координатами xo, yo, zo и координатами фазовых центров передающих антенн x_n, y_n, z_n, вычисляемые в соответствии с выражениями

D n = ( x o − x n ) 2 + ( y o − y n ) 2 + ( z o − z n ) 2 ,                                ( 1 )

ξ_n, η_n, θ_n - безразмерные параметры, вычисляемые в соответствии с выражениями

ξ n = ( x o − x n ) / D n ,   η n = ( y o − y n ) / D n ,   θ n = ( z o − z n ) / D n ,                 ( 2 )

a _i - безразмерные параметры, где индекс i изменяется от 1 до 6, вычисляемые в соответствии с выражениями

a 1 = N ∑ n = 1 N ξ n 2 − ( ∑ n = 1 N ξ n ) 2 , a 2 = N ∑ n = 1 N η n 2 − ( ∑ n = 1 N η n ) 2 , a 3 = N ∑ n = 1 N θ n 2 − ( ∑ n = 1 N θ n ) 2 ,      (3) a 4 = N ∑ n = 1 N ξ n η n − ∑ n = 1 N ξ n ∑ n = 1 N η n , a 5 = N ∑ n = 1 N ξ n θ n − ∑ n = 1 N ξ n ∑ n = 1 N θ n , a 6 = N ∑ n = 1 N η n θ n − ∑ n = 1 N η n ∑ n = 1 N θ n ,

A_j - безразмерные параметры, где индекс j изменяется от 0 до 6, вычисляемые в соответствии с выражениями

A 0 = a 1 a 2 a 3 + 2 a 4 a 5 a 6 − a 1 a 6 2 − a 2 a 5 2 − a 3 a 4 2 ,   A 1 = a 2 a 3 − a 6 2 ,   A 2 = a 1 a 3 − a 5 2 ,   A 3 = a 1 a 2 − a 4 2 , A 4 = a 5 a 6 − a 3 a 4 ,   A 5 = a 4 a 6 − a 2 a 5 ,   A 6 = a 4 a 5 − a 1 a 6 , ( 4 )

функционально связанный с блоком предварительного получения координат xo, yo, zo и блоком хранения упомянутых пространственных координат x_n, y_n, z_n, при этом указанная подсистема содержит блок вычисления параметров b_k, где индекс k изменяется от 1 до 3, в соответствии с выражениями

b 1 = N ∑ n = 1 N ( d n − D n )   ξ n − ∑ n = 1 N ( d n − D n ) ∑ n = 1 N ξ n , b 2 = N ∑ n = 1 N ( d n − D n )   η n − ∑ n = 1 N ( d n − D n ) ∑ n = 1 N η n ,                                     ( 5 ) b 3 = N ∑ n = 1 N ( d n − D n )   θ n − ∑ n = 1 N ( d n − D n ) ∑ n = 1 N θ n ,

функционально связанный с блоком вычисления параметров d_n и указанным блоком вычисления параметров D_n, ξ_n, η_n, θ_n, a _i, A_j, блок определения параметров Δх, Δy, Δz преимущественно в соответствии с выражениями Δ x = ( A 1 b 1 + A 4 b 2 + A 5 b 3 ) / A 0 ,   Δ y = ( A 4 b 1 + A 2 b 2 + A 6 b 3 ) / A 0 ,   Δ z = ( A 5 b 1 + A 6 b 2 + A 3 b 3 ) / A 0 ,   ( 6 ) функционально связанный с блоком вычисления параметров b_k и блоком вычисления параметров D_n, ξ_n, η_n, θ_n, a _i, A_j, блок определения уточненных пространственных координат x, y, z фазового центра приемной антенны указанного принимающего радиосигналы радиотехнического объекта в соответствии с выражениями x = x o + Δ x ,   y = y o + Δ y ,   z = z o + Δ z ,                    ( 7 ) функционально связанный с блоком определения параметров Δx, Δy, Δz и блоком предварительного получения координат xo, yo, zo, при этом блок определения уточненных пространственных координат x, y, z функционально связан с блоком передачи информации потребителям, включающим, в том числе, при необходимости в качестве потребителя упомянутые передающие радиосигналы радиотехнические объекты, при необходимости в подсистему определения пространственных координат x, y, z между блоком определения уточненных пространственных координат x, y, z и блоком передачи информации потребителям введен блок повторения определения уточненных пространственных координат x, y, z заданное число раз, функционально связанный с блоком предварительного получения координат xo, yo, zo и выполненный с возможностью передачи уточненных пространственных координат x, y, z для использования их при каждом повторении в качестве координат xo, yo, zo в блоке предварительного получения координат xo, yo, zo.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения о системах того же назначения с указанной совокупностью признаков.

Ниже изобретение описано более детально со ссылками на чертеже.

На чертеже показана заявляемая система. Радиотехническая система 1 содержит информационную систему 2, расположенную на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте, стационарном или подвижном. Система 2 выполнена с возможностью предварительного получения координат xo, yo, zo фазового центра приемной антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z). Система 1 содержит N радиотехнических объектов 3 в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, передающих радиосигналы на принимающий их радиотехнический объект 2. Фазовые центры их передающих антенн с фиксированными или заданными во времени координатами в упомянутой системе координат x_n, y_n, z_n, где n изменяется от 1 до N, не расположены в одной плоскости. Объекты 3 выполнены с возможностью передачи радиосигналов одновременно или каждый с упорядочение заданными задержками во времени. Также объекты 3 функционально связаны со средствами синхронизации 4. На принимающем радиосигналы радиотехническом объекте 2 расположены регистратор 5 моментов времен приема радиосигналов t_n в заданной системе отсчета времени, функционально связанный с указанными радиотехническими объектами 3, блок 6 вычисления параметров d_n=υt_n, где υ - скорость распространения радиосигналов, функционально связанный с регистратором 5, и подсистема 7 определения пространственных координат x, y, z фазового центра антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта 2. Подсистема 7 содержит, в том числе, блок 8 предварительного получения координат xo, yo, zo, блок 9 хранения упомянутых пространственных координат x_n, y_n, z_n, блок 10 вычисления параметров D_n, ξ_n, η_n, θ_n, a _i, A_j, функционально связанный с блоком 8 и блоком 9, блок 11 вычисления параметров b_k, функционально связанный с блоком 6 и блоком 10, блок 12 определения параметров Δx, Δy, Δz, функционально связанный с блоком 11 и блоком 10, блок 13 определения уточненных пространственных координат x, y, z фазового центра приемной антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта 2, функционально связанный с блоком 12 и блоком 8. При этом блок 13 функционально связан с блоком 15 передачи информации потребителям 16, включающим, в том числе, при необходимости в качестве потребителя передающие радиосигналы радиотехнические объекты 3. При необходимости в подсистему 7 между блоком 13 и блоком 15 введен блок 14 повторения определения уточненных пространственных координат x, y, z заданное число раз, функционально связанный с блоком 8 и выполненный с возможностью передачи уточненных пространственных координат x, y, z для использования их при каждом повторении в качестве координат xo, yo, zo в блоке 8.

Предложенная система 1 работает следующим образом.

На принимающем радиосигналы радиотехническом объекте 2, стационарном или подвижном принимают радиосигналы и извлекают информацию, в том числе, о пространственных координатах этого объекта. Информационная система объекта 2 выполнена с возможностью предварительного получения координат xo, yo, zo фазового центра приемной антенны радиотехнического объекта 2 в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z), соответственно. N передающих радиосигналы радиотехнических объектов 3 в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, соответственно с фиксированными или заданными во времени координатами в упомянутой системе координат x_n, y_n, z_n, где n изменяется от 1 до N, не расположенных в одной плоскости фазовых центров их передающих антенн, передают радиосигналы. Каждый из N объектов 3 своей передающей антенной синхронизировано передает радиосигналы одновременно или с упорядочение заданными задержками во времени.

Приемной антенной на принимающем радиотехническом объекте 2 радиосигналы принимают и идентифицируют принятые радиосигналы соответствующим передающим радиосигналы радиотехническим объектам 3. На принимающем радиотехническом объекте 2 регистрируют моменты времен приема радиосигналов в заданной системе отсчета времени регистратором 5. При этом при наличии указанных упорядоченно заданных задержек во времени соответственно их исключают. Регистратор 5 при необходимости выполнен с возможностью суммирования указанных моментов времен, определения их среднего значения, исключения из каждого момента времени этого среднего значения и получения таким образом зарегистрированных моментов времен t_n. На основании таким образом зарегистрированных моментов времен t_n в блоке 6 вычисляют параметры d_n=υt_n, где υ - скорость распространения радиосигналов.

В подсистеме 7 радиотехнического объекта 2 через упомянутые предварительно полученные координаты фазового центра приемной антенны принимающего радиотехнического объекта xo, yo, zo и заданные упомянутые координаты фазовых центров передающих антенн x_n, y_n, z_n первоначально в блоке 10 вычисляют расстояния D_n между точкой с координатами xo, yo, zo и координатами фазовых центров передающих антенн x_n, y_n, z_n в соответствии с выражением (1). Указанные предварительно полученные координаты xo, yo, zo могут иметь большие отклонения от точных значений координат объекта x, y, z, как будет показано на примере реализации системы.

Через D_n и безразмерные параметры (2) в блоке 10 вычисляют безразмерные параметры a _i и A_j в соответствии с выражениями (3) и (4). Через параметры d_n и параметры, определенные в соответствии с выражениями (1) и (2), в блоке 11 вычисляют параметры b_k в соответствии с выражениями (5). Через b_k и A_j определяют в блоке 12 преимущественно в соответствии с выражениями (6) параметры Δx, Δy, Δz и через них и координаты xo, yo, zo определяют уточненные пространственные координаты x, y, z фазового центра приемной антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта 2 в соответствии с выражениями (7). Полученную таким образом информацию о координатах передают потребителям информации 16, включающим, в том числе при необходимости, в качестве потребителя информации передающие радиосигналы радиотехнические объекты 3. При необходимости блок 14 обеспечивает последовательное повторение всех первоначальных действий заданное число раз, каждый раз передавая уточненные пространственные координаты x, y, z для использования их при каждом повторении в качестве координат xo, yo, zo в блоке предварительного получения координат xo, yo, zo.

Покажем возможности предложенной радиотехнической системы извлечения информации о координатах объекта. Рассмотрим ситуацию с использованием минимально возможного количества передающих радиосигналы радиотехнических объектов 3, а именно при использовании четырех спутников. Координаты расположения спутников x_n, y_n, z_n (в м), приведенные в таблице 1, взяты из [2. Ryan Stansifer. Exact solution of the a three dimensional hyperbolic positioning system. Department of Computer Sciences Florida Institute of Technology. Melbourne, Florida USA 32901., 20 sept. 2011]:

Таблица 1
№ спутника n	xn	yn	zn
1	7344421.11	-15419735.80	10785695.45
2	4895787.68	18128508.45	-7445028.17
3	15562569.98	-10009671.82	8102646.83
4	18265492.16	1545680.89	-8486616.93

Для моделирования рассмотрим ситуацию, при которой принимающий радиосигналы радиотехнический объект 2 находится в точке пространства с координатами (в м) х_об=2.117912·10⁶, y_об=6.038289·10⁶, z_об-=4.46376·10⁶. На нем регистрируют моменты времен приема радиосигналов t_n в заданной системе отсчета времени. Введем ошибки измерения времен t_n в нс, равные Δt₁=1, Δt₂=2, Δt₃=5, Δt₄=-4, соответственно. Измеренные t_n, для удобства центрированные относительно среднего значения всех моментов, при указанных ошибках измерений равны (в нс) t₁=2.0001540023-10⁶, t₂=-1.1519899811-10⁷, t₃=7.7473606426-10⁶, t₄=1.7723851657-10⁶. Соответствующие этим t_n параметры d_n определяются как d_n=υt_n, где υ=0.299792458 м/нс.

В качестве предварительно полученных координат x0, y0, z0 принимающего радиотехнического объекта 2 в данном примере использованы взятые с отклонениями в десятки тысяч метров от координат х_об, y_oб, z_oб координаты х0=х_об+10⁴, y0=y_об-4·10⁴, z0=z_об+2·10⁴, в м.

Полученные результаты моделирования представлены в таблице 2, все в м.

Таблица 2
Координаты нахождения объекта хоб, yoб, zoб, заданные в системе координат X, Y, Z (сверху вниз, соответственно)	Предварительно полученные координаты объекта x0, y0, z0	Координаты объекта, уточненные на 1 этапе	Полученные на 1 этапе отклонения координат от точных значений хоб, yoб, zoб	Координаты объекта, уточненные на 2 этапе, с использованием в качестве x0, y0, z0 уточненных на 1 этапе координат объекта	Полученные на 2 этапе отклонения координат от точных значений хоб, yoб, zoб
2.117912·106	2.127912·106	2.1178921998·106	19.8002263051	2.1179146769·106	-2.6769253355
6.038289·106	5.998289·106	6.0383184321·106	-29.432084851	6.0382886392·106	3.6094373185
4.46376·106	4.48376·106	4.4638229999·106	-62.99993267	4.4637582777·106	1.7222645441

Из таблицы 2 следует, что заявляемая система позволяет уже на втором этапе определить координаты объекта с отклонениями в несколько метров от точных значений координат (при этом предварительно полученные координаты x0, y0, z0 были заданы с отклонениями в десятки тысяч метров от координат объекта х_об, y_oб, z_oб). Практически эти отклонения связаны с погрешностями измерений t_n, т.к. на последующем этапе уточнение этих отклонений происходит лишь в 4-6 знаках после запятой и составляют менее мм.

Блок 14 осуществляет повторения определения уточненных координат x, y, z заданное число раз, в том числе количество раз может быть задано, исходя из условия, что последующие значения полученных координат отличаются от их предыдущих значений не больше, чем на заданную величину.

На практике заявляемая система позволяет, имея на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте 2 информацию о его нахождении в пределах достаточно большого района (например, большого города) с хотя бы одной точкой с известными геодезическими координатами, однозначно определить координаты этого объекта с погрешностями, определяемыми только погрешностью измерения моментов времен приема радиосигналов.

Перечислим основные достоинства системы:

- обеспечивает однозначное извлечение информации о пространственных координатах объекта с большой точностью, соответствующей современным требованиям,

- обеспечивает возможность с высоким быстродействием производить измерения с использованием одного из известных радиотехнических методов и существующей элементной базы и микропроцессорной техники,

- обеспечивает эффективное использование радиочастотного спектра,

- позволяет осуществлять одновременные определения на неограниченном количестве радиотехнических объектов.

Результативность и эффективность использования заявляемой системы состоит в том, что она может быть применена на практике для развития и совершенствования радиотехнических систем определения, преимущественно, координат объектов, а также в других приложениях. Система позволяет определять координаты с большей достоверностью и более просто по сравнению с известными системами.

Таким образом, заявляемая система 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 составляющих на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Радиотехническая система, содержащая расположенную на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте, стационарном или подвижном, информационную систему, выполненную с возможностью предварительного получения координат xo, yo, zo фазового центра приемной антенны упомянутого радиотехнического объекта в заданной трехмерной декартовой системе координат (X, Y, Z), соответственно, и N радиотехнических объектов, передающих радиосигналы на указанный принимающий их радиотехнический объект, в количестве не менее четырех, стационарных или подвижных, соответственно с фиксированными или заданными во времени координатами в упомянутой системе координат x_n, y_n, z_n, где n изменяется от 1 до N, не расположенных в одной плоскости фазовых центров их передающих антенн, выполненных с возможностью передачи радиосигналов одновременно или каждый с упорядоченно заданными задержками во времени, передающие радиосигналы радиотехнические объекты функционально связаны со средствами синхронизации, расположенные на принимающем радиосигналы радиотехническом объекте регистратор моментов времен приема радиосигналов в заданной системе отсчета времени, выполненный с возможностью исключения указанных упорядоченно заданных задержек во времени и при необходимости выполненный с возможностью суммирования указанных моментов времен, определения их среднего значения, исключения из каждого момента времени этого среднего значения и получения таким образом зарегистрированных моментов времен t_n, функционально связанный с указанными передающими радиосигналы радиотехническими объектами, блок вычисления параметров d_n=νt_n, где ν - скорость распространения радиосигналов, функционально связанный с регистратором, и подсистему определения пространственных координат x, y, z фазового центра антенны принимающего радиосигналы радиотехнического объекта, содержащую, в том числе блок предварительного получения координат xo, yo, zo, блок хранения упомянутых пространственных координат x_n, y_n, z_n и блок вычисления параметров D_n, ξ_n, η_n, θ_n, a _i, A_j, где D_n - расстояния между точкой с координатами xo, yo, zo и координатами фазовых центров передающих антенн x_n, y_n, z_n, вычисляемые в соответствии с выражениями D n = ( x o − x n ) 2 + ( y o − y n ) 2 + ( z o − z n ) 2 , ξ_n, θ_n - безразмерные параметры, вычисляемые в соответствии с выражениями ξ_n=(xo-x_n)/D_n, η_n=(yo-y_n)/D_n, θ_n=(zo-z_n)/D_n, a _i - безразмерные параметры, где индекс i изменяется от 1 до 6, вычисляемые в соответствии с выражениями a 1 = N ∑ n = 1 N ξ n 2 − ( ∑ n = 1 N ξ n ) 2 , a 2 = N ∑ n = 1 N η n 2 − ( ∑ n = 1 N η n ) 2 , a 3 = N ∑ n = 1 N θ n 2 − ( ∑ n = 1 N θ n ) 2 , a 4 = N ∑ n = 1 N ξ n η n − ∑ n = 1 N ξ n ∑ n = 1 N η n , a 5 = N ∑ n = 1 N ξ n θ n − ∑ n = 1 N ξ n ∑ n = 1 N θ n , a 6 = N ∑ n = 1 N η n θ n − ∑ n = 1 N η n ∑ n = 1 N θ n , A_j - безразмерные параметры, где индекс j изменяется от 0 до 6, вычисляемые в соответствии с выражениями A 0 = a 1 a 2 a 3 + 2 a 4 a 5 a 6 − a 1 a 6 2 − a 2 a 5 2 − a 3 a 4 2 , A 1 = a 2 a 3 − a 6 2 , A 2 = a 1