NO338820B1 - Fremgangsmåte for lokalisering et mobilt objekt basert på målinger av bistatiske avstander og hastigheter for nevnte objektet ved anvendelse av et flerstatisk system - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for lokalisering av et mobilt objekt basert på målinger av bistatisk avstand og hastighet for nevnte objekt, ved anvendelse av et flerstatisk system.

En teknikk for lokalisering av et mobilt objekt ved hjelp av flerstatiske systemer vil vanligvis kreve anvendelse av elementære bistatiske målinger, både av avstanden mellom hver av senderene og det aktuelle objekt, og mellom objektet og hver av de respektive mottakere. Dette vil omfatte søk etter krysningspunktet mellom de flertydige posisjonskurver som korresponderer til hver elementære måling, i dette tilfelle hyperbler og ellipser, avhengig av den anvendte tidsreferanse, for å på en entydig måte kunne bestemme den romlige posisjon til objektet.

En slik teknikk benyttes for eksempel i systemer for lokalisering av de sekundære transpondere i luftfartøyer, og anvendes for lufttrafikkontrollformål.

Denne kjente teknikk fremviser følgende begrensninger:

den kvasi-plane geometri for layouten til mottakerene (dersom disse er bakkemottakere) vil bare tillate lokalisering i horisontalplanet, uten tilveiebringelse av høyden til objektet,

dersom signalene mottatt fra forskjellige mål som samtidig foreligger i ett og samme rom ikke har forskjellig tidsmessig referanse vil en tilordning av de elementære målinger stammende fra ett og samme objekt bli nesten umulig, siden antallet kombinasjoner av mulige tilfeller blir altfor stort til at det i praksis kan utnyttes.

Publikasjonen WO03/107033 omhandler en fremgangsmåte for å bestemme posisjonene til målene ved bistatiske målinger ved hjelp av signaler som er spredt av målene. Også hastighetene for målene kan bestemmes. Senderne blir valgt slik at et mål ved et vilkårlig punkt kan måles ved spredning i målet ved hjelp av minst fire samvirkende målemuligheter. Først assosieres målene. Dette skjer ved å beregne, på to uavhengige måter, to sett med summer av avstander mellom senderpunkter og mål og henholdsvis mål og mottakssteder. Deretter blir de to summene sortert med hensyn til avstand, sammenlignet med hverandre, og de summene som korresponderer med hverandre, idet man tar hensyn til en feilmargin som er bestemt på forhånd, blir angitt å tilsvare mulige mål. Assosiering av målene blir forbedret og fullført ved hjelp av tilsvarende beregninger som blir utføret for Doppler hastigheter. Til slutt blir posisjonene til målene beregnet ut fra et system av ligninger for de bistatisk målte avstandene

Et formål med foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for lokalisering av et mobilt objekt, særlig et flyvende objekt, på grunnlag av målinger av bistatiske avstander og hastigheter for dette objekt, ved anvendelse av et flerstatisk system.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for lokalisering av et mobilt objekt på basis av målinger av bistatiske avstander og hastigheter for dette objekt, ved anvendelse av et flerstatisk system, kjennetegnet ved trekkene som er angitt i det vedfølgende patentkrav 1.

Trekk ved utførelser av oppfinnelsens fremgangsmåte ifølge patentkrav 1 er angitt i de vedfølgende patentkravene 2-3.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse skal benevnelsen "posisjon/lokalisering" forstås som 3D-posisjonen til dette objektet, samt bestemmelse av dets sanne hastighetsvektor i 3D-koordinater. Denne fremgangsmåten må gjøre det mulig å lokalisere dette objekt så nøyaktig som mulig i rommet, det vil si ved å måle dets koordinater i en tre-dimensjonal referanseramme, også når dette objekt befinner seg i omgivelser som kan omfatte mange andre mobile objekter.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for lokalisering av et mobilt objekt på basis av målinger av bistatiske avstander og hastigheter for dette objekt, ved anvendelse av et flerstatisk system, og den erkarakterisert vedat i det minste to bistatiske avstandspar tilordnes slik at for hvert par vil ellipsoidene som bestemmer disse ha et felles brennpunkt, at for hvert par vil skjæringen mellom disse to ellipsene bli beregnet ved forskjellige høyder, at de forskjellige skjæringspunkter optimaliseres i forhold til høydevariabelen z, at de tre-dimensjonale, kartesiske koordinater for dette objekt beregnes på basis av den beste verdien for z som er funnet, og at retningen og størrelsen til den sanne 3D-hastighetsvektor for det mobile objekt avledes etter at koordinatene til objektet, og i det minste tre bistatiske hastigheter, er blitt bestemt.

I samsvar med en fordelaktig egenskap ved oppfinnelsen predikeres posisjonen til det mobile objekt ved neste trinn i beregningen, og dermed også dets høyde z, og optimaliseringen av beregningen av z i forhold til den predikerte z-verdi forbedres ved at bare de n minste verdier bevares i hvert av avstandsparene, der n fortrinnsvis er lik 3. Foreliggende oppfinnelse vil forstås bedre ved gjennomgang av den detaljerte beskrivelse av en utførelsesform, gitt som et ikke-begrensende eksempel og illustrert ved de vedlagte tegninger, der: Figur 1 er et forenklet diagram som viser tre resulterende ellipser etter at ellipsoidene relatert til de bistatiske avstander for et mobilt objekt, slik dette anvendes i samsvar med foreliggende oppfinnelse, skjæres av et horisontalplan, og Figur 2 er et forenklet diagram hvor metoden for bestemmelse av retningen og størrelsen til hastighetsvektoren for et flyvende objekt, basert på kunnskap om ellipsoidene ifølge Figur 1, eksplisitt utlegges.

Foreliggende oppfinnelse beskrives nedenfor med referanse til den romlige lokalisering av et luftfartøy (her benevnt som et fly), men det skal selvsagt forstås at den ikke er begrenset til bare en slik anvendelse, og at den kan implementeres for lokalisering av et hvilket som helst mobilt objekt, særlig, men ikke eksklusivt, et flyvende objekt. Denne lokalisering implementeres ved anvendelse av et flerstatisk system med flere sendere og mottakere. Oppfinnelsen består i å samtidig anvende målingene av bistatiske avstander og bistatiske dopplerhastigheter for flyene som skal lokaliseres, der disse målingene utføres i en mengde av flere (minst tre) sender/mottaker-par. Disse parene bestemmes på følgende måte.

Figur 1 viser skjæringen av et horisontalplan (som her vil være tegningsplanet) med tre spesifikke ellipsoider (El, E2, E3) relatert til ett og samme fly som skal lokaliseres, i et flerstatisk system (ikke vist i detalj). Plottene i tegningsplanet, av de tre ellipsoidene består av tre ellipser ell, el2 og el3. Disse ellipsoidene er slik at deres brennpunkter i utgangspunktet vil være kjent som senderene og mottakerene i det bistatiske lokaliseringssystem. Det oppnås således et system av tre likninger (definert av likningene for ellipsoidene) med tre ukjente, som i teorien har en løsning som vil gjøre det mulig å beregne 3D-posisjonen til det aktuelle fly, men det vil ikke foreligge en direkte prosedyre for løsning av systemet (dette vil faktisk innebære løsning av en 8.-grads-likning).

I samsvar med oppfinnelsen vil ellipsoidene være slik at de parvis vil ha et felles brennpunkt. I eksempelet ifølge Figur 1 foreligger det tre slike par av ellipsoider (El, E2 og E3), men flere vil være mulig. I dette eksempelet omfatter det flerstatiske system to sendere Eml og Em2 og to mottakere RI og R2. Ellipsoidene El og E2 vil ha RI som felles brennpunkt, mens El og E3 vil ha Eml som felles brennpunkt. På grunn av dette særtrekk ved oppfinnelsen kan dette systemet av likninger løses enklere enn ved nevnte direkte prosedyre. Videre vil kjennskapen til de bistatiske hastighetsvektorer for hver av de tre bistatiske systemer gjøre det mulig å beregne 3D-hastighetsvektoren til flyet.

For å implementere oppfinnelsen søkes det først etter skjæringene mellom de nevnte ellipsoide-par, hvert med et felles brennpunkt, i et horisontalplan. Deretter utføres følgende: - De 3D kartesiske koordinater for flyet som skal lokaliseres benevnes (x, y, z), de for senderen Eml benevnes (xei, xe2,Xe3) og de for mottakeren RI benevnes (<X>rl,<X>i2,<X>rf).

La:

-da være avstanden mellom Eml og flyet + avstanden mellom flyet og RI,

-db avstanden mellom RI og flyet + avstanden mellom flyet og Em2 og

-do avstanden mellom Eml og flyet + avstanden mellom flyet og R2.

Likningene for de tidligere nevnte ellipsoider El, E2 og E3 oppnås på konvensjonell måte:

I en såkalt initialiseringsfase, det vil si for den første måling av de bistatiske avstander for flyet, og for en gitt høyde z av dette flyet, oppnås koordinatene for skjæringspunktene for ellipsoideparene på følgende måte, for tre horisontalplan som skjærer disse ellipsoidene og med respektive høyder zi, z2, z3. Foreliggende eksempel begrenser seg til tre verdier av z, hvilket vil være tilstekkelig for den nøyaktighet som søkes under initialiseringsfasen. I denne initialiseringsfase tas disse verdiene fortrinnsvis svært forskjellige fra hverandre, for eksempel høyder av 0, 500 og 1000 m.

Følgende verdier for disse skjæringspunktene for de tidligere nevnte ellipsoide-par vil da oppnås:

Hver koordinat (xi, yi), (x'i, y'i), (x"i, y"i) vil derfor være avhengig av z, og det vil være mulig å representere disse koordinatene gjennom et 2.-grads-polynom (3 verdier tilgjengelig for hver koordinat):

Likningene for de forskjellige avstander D;, som en funksjon av z, mellom skjæringspunktene M(x, y), M'(x', y') og M"(x", y") beregnes deretter, hvorpå likningene for de forskjellige avstander Di(z) differensieres m.h.p. z, for bestemmelse av minimumsverdiene for disse avstandene Di(z). Disse minimumsverdiene vil korrespondere til de parvis minste avstander mellom punktene M, M' og M". Ifølge en fordelaktig egenskap ved oppfinnelsen vil den minste av disse minste avstander bli bevart. LaZfiy være denne minste avstand; den vil korrespondere til et par av punkter, for eksempel M(x, y) og M'( x', y'), oppnådd ved beregningen av 2.-grads-polynomene nevnt ovenfor, der z settes lik zny. 3D-posisjonen til flyet avledes av dette: x-verdien vil være lik gjennomsnittsverdien for de to beregnede verdier av x, for eksempel (x+x')/2,

y-verdien vil være lik gjennomsnittsverdien for de to beregnede verdier av y, for eksempel (y+y')/2,

z-verdien vil selvsagt være likZfiy.

Endelig beregnes 3D hastighetsvektoren for flyet på grunnlag av kjennskapen til 3D posisjonen og størrelsen av den bistatiske hastighet til flyet, for i det minste tre av de tidligere nevnte bistatiske systemer. Denne beregningen er illustrert i diagrammet ifølge Figur 2.1 dette diagram er for klarhetens skyld bare to av de tre bistatiske systemer, valgt i et plan som skjærer to ellipsoider, og som vil utgjøre tegningsplanet, representert. I dette plan er ellipsene ell og el2 relatert til senderene og mottakerene Eml, Em2, RI og R2 plottet, der flyet som skal lokaliseres befinner seg ved ett av de to skjæringspunkter mellom disse ellipsene hvis felles brennpunkt er lik RI. Ved en metode som i utgangspunktet vil være kjent beregnes verdiene for størrelsene vi og v2 av de bistatiske dopplerhastigheter for flyet for ellipsene ell og el2, og de korresponderende segmenter fremstilles på diagrammet på en slik måte at segment vi vil være lik middellinjen for vinkelen dannet av segmentene (fly-Eml), (fly-Rl), og v2 vil være middellinjen for vinkelen dannet av segmentene (fly-Rl), (fly-Em2). Den rette linje Dl (hvilken vil være et plott, bare synlig i tegningsplanet, av planet PLI perpendikulært på, og gjennom enden av segmentet vi) plottes deretter, etterfulgt av den rette linje D2 (hvilken vil være et plott, bare synlig i tegningsplanet, av planet PL2 perpendikulært på, og gjennom enden av segmentet v2). De rette linjene Dl og D2 skjærer hverandre i et punkt P. Disse to planene PLI og PL2 som passerer gjennom Dl h.h.v. D2 vil utgjøre de geometriske steder for de potensielle posisjoner til enden av den sanne hastighetsvektor for flyet (og med dette flyet som origo) og de vil skjære hverandre langs en rett linje Di, 2 som passerer gjennom punktet P og perpendikulært på tegningsplanet. Det samme gjøres for et annet par av bistatiske hastigheter (for eksempel v2 og en tredje hastighet v3), og et første plan PL2 som passerer gjennom D2 og et andre plan PL3 (som ikke vil ligge i tegningsplanet) tilveiebringes. Disse to planene PL2 og PL3 vil skjære hverandre langs en annen rett linje D2,3(ikke synlig på tegningen) som selv vil skjære Di, 2 i et punkt Pl (ikke synlig på tegningen). Enden av den sanne hastighetsvektor vil således være dette punkt Pl.

Etter denne initialiseringsfase, når flyet er blitt lokalisert og dets hastighetsvektor er bestemt, vil flysporingsprosessen bli opprettholdt, slik at bestemmelsen av posisjonen og hastigheten til flyet kan foretas så nøyaktig og enkelt som mulig, og på ethvert tidspunkt.

I praksis vil et flerstatisk system generelt omfatte et stort antall sendere og mottakere, og dess høyere dette antall er dess flere intrinsikt bistatiske systemer vil foreligge, og derfor vil et desto høyere antall bistatiske avstander bli beregnet. Dette vil resultere i en desto raskere økning av kompleksiteten ved lokaliseringsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. For å løse dette problem vil et annet særtrekk ifølge oppfinnelsen gjøre det mulig å forenkle opprettholdelsesberegningsfremgangsmåten gjennom prediksjon av posisjonen til flyet. Denne prediksjon gjøres på følgende måte. På grunnlag av kjennskapen til 3D posisjonen til flyet og dets hastighetsvektor ved tidspunktet t beregnes posisjonen til flyet ved tidspunktet t+At (verdien av At vil særlig være avhengig av hastigheten og banen til flyet, og nøyaktigheten av målingene, for at At ikke skal settes for stor, for å unngå en for omtrentlig prediksjon, eller for liten, slik at unødvendige mellomregninger kan unngås). Høyden til flyet beregnes således, på måten utlagt ovenfor, for tidspunktet t+At, d.v.s.Zpredikert. NårZpredikerter kjent vil alle de tidligere beregninger bli utført på nytt (fra det første trinn med beregning av skjæringspunktene mellom ellipsoide-parene til beregningen av 3D hastighetsvektoren), der det i det første trinn tas et sett av verdier av z (zl, z2, z3) som vil være mye snevrere enn det som er angitt i eksempelet ovenfor, og sentrert rundtZpredikert, for eksempel 0.8 Zpredikert, Zpredikert og 1.2Zpredikert- Beregningene forenkles ved å fortrinnsvis ta de tre laveste (med det beste signal-støy-forhold) av alle de tilgjengelige, bistatiske avstandsverdier.

Av mulige anvendelser av oppfinnelsen kan nevnes dens lite kostbare bruk i et flerstatisk system for detektering og lokalisering av mål, for detektering i en overvåkningssone, for eksempel i nærheten av ankomstsonen for en lufthavn, inntrengere med lavt radartverrsnitt, eller for beskyttelse av et følsomt område. Anordningen, som gjør det mulig å utføre målinger av bistatisk avstand og av bistatisk dopplerhastighet, er basert på anvendelse av én eller flere mottakere, sammen med, samtidig eller ikke: -et sett av samvirkende sendere (som vil sende en deterministisk og kontrollert bølgeform),

-et sett av konvensjonelle frekvensmodulasjonskringkastingssendere,

-et sett av kringkastingssendere med OFDM-bølgeformer (slik som DAB- eller DVBT-sendere) -et sett av kringkastingssendere hvis sendte signaler vil omfatte spektrallinjer med en deterministisk posisjon, for eksempel analoge televisjonssendere.

Konklusjonen er at oppfinnelsen gjør det mulig å foreta praktisk talt øyeblikkelige målinger av posisjonen til objekter som skal lokaliseres i 3D (med koordinater i et horisontalplan og i høyden) samt deres hastighetsvektor, i størrelse og retning (i 3D), også i en situasjon der flere flyvende objekter skal detekteres. Nøyaktigheten som oppnås gjennom fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil være direkte relatert til nøyaktigheten av de bistatiske avstander som måles. Ved typiske konfigurasjoner av geometrisk distribusjon (d.v.s. konfigurasjoner der senderene og mottakerene er anbrakt ved knutepunkter i enkle geometriske figurer, slik som rektangler) vil en elementær, bistatisk avstandsnøyaktighet på noen få metere gjøre det mulig å oppnå nøyaktigheter på noen få metere i horisontalplanet, og nøyaktigheter i størrelsesorden av om lag ti meter i høyden.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for lokalisering av et mobilt objekt på basis av målinger av bistatiske avstander og hastigheter for objektet, ved anvendelse av et flerstatisk system,karakterisert ved at i det minste to bistatiske avstandspar tilordnes slik at for hvert par har de to ellipsoidene som bestemmer disse et felles brennpunkt, at for hvert par beregnes skjæringen mellom de to ellipsoidene ved forskjellige høyder, slik at for hvert skjæringspunkt etableres ligningene til dets x- og y-koordinater som en funksjon av høyden z, der avstandene Di(z) mellom skjæringspunktene tatt parvis blir beregnet, og deres differensierte med hensyn på variabelen z blir beregnet for slik å beregne minimumsavstander, og den minste av disse minimumsavstander blir beholdt, skaffet for en høydeverdiZfiy, og objektets tredimensjonale kartesiske koordinater blir beregnet, gitt på x-aksen henholdsvis y-aksen, av gjennomsnittsverdien til x-koordinatene henholdsvis y-koordinatene til de to skjæringspunktene som korresponderer den minste avstanden som er beholdt, og på z-aksen, avZfiy-verdien, og at retningen og størrelsen til den sanne 3D-hastighetsvektor for det mobile objekt avledes når koordinatene til objektet, og i det minste tre bistatiske hastigheter, er blitt bestemt.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat posisjonen til det mobile objekt predikeres ved neste trinn i beregningen, og dermed også dets høyde z, og at optimaliseringen av beregningen av z i forhold til den predikerte z-verdi forbedres ved at bare de n minste verdier bevares i hvert av de nevnte avstandspar.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat n er lik 3.