RU2597007C1 - Phase-difference method of locating navigation object - Google Patents

Phase-difference method of locating navigation object Download PDF

Info

Publication number
RU2597007C1
RU2597007C1 RU2015127127/07A RU2015127127A RU2597007C1 RU 2597007 C1 RU2597007 C1 RU 2597007C1 RU 2015127127/07 A RU2015127127/07 A RU 2015127127/07A RU 2015127127 A RU2015127127 A RU 2015127127A RU 2597007 C1 RU2597007 C1 RU 2597007C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
navigation
signals
frequency
points
coordinates
Prior art date
Application number
RU2015127127/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Васильевич Шеболков
Игорь Георгиевич Дорух
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (ОАО "АОМЗ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (ОАО "АОМЗ") filed Critical Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (ОАО "АОМЗ")
Priority to RU2015127127/07A priority Critical patent/RU2597007C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597007C1 publication Critical patent/RU2597007C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

FIELD: navigation.
SUBSTANCE: invention relates to radio navigation and can be used in local navigation systems and networks for controlling movement of mobile objects in local navigation areas.
Method is based on simultaneous radiation by a navigation object during a time interval sufficient for phase measurements, of two high-frequency harmonic signals with frequencies differing by a preset value, reception thereof in multiple reference radio navigation points with known coordinates and generation therefrom of differential frequency signals, transmission of said differential frequency signals to a central processing station, measurement therein of phase differences of differential frequency signals received from different reference radio navigation points, wherein from each differential frequency signal in central processing station, a scaling frequency signal is generated, value of which is n times greater than differential frequency, measuring phase difference of signals of scaling frequency generated for different pairs of reference points, and measurement results of phase differences of signals at differential and scaling frequencies are recalculated considering mutual location of reference radio navigation points and central processing station in coordinates of navigation object.
EFFECT: technical result is high accuracy of determining coordinates of navigation object and wider field of space, in range of which unambiguous determination of coordinates of navigation object is possible without reducing accuracy.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации.The invention relates to radio navigation and can be used in local navigation systems and networks to control the movement of mobile objects in local navigation areas.

Известен защищенный патентом РФ №2204145, кл. G01S 3/46, 2003, способ определения координат источника излучения, основанный на приеме его сигнала тремя антеннами, образующими ортогональные базы.Known protected by RF patent No. 2204145, class. G01S 3/46, 2003, a method for determining the coordinates of a radiation source based on the reception of its signal by three antennas forming orthogonal bases.

Такое действие, как определение направления на источник излучения, является существенным признаком и заявляемого способа.Such an action as determining the direction to the radiation source is an essential sign of the proposed method.

Известен также защищенный патентом РФ №2013785, кл. G01S 13/00, 1994, способ определения местоположения подвижных объектов, заключающийся в излучении кодированных сигналов передатчиками объектов, приеме сигналов в N пространственно разнесенных пунктах с последующей ретрансляцией их на центральный пункт обработки и измерении задержек между принятыми сигналами.Also known is protected by a patent of the Russian Federation No. 20133785, class. G01S 13/00, 1994, a method for determining the location of moving objects, which consists in emitting encoded signals with object transmitters, receiving signals at N spatially separated points, followed by relaying them to a central processing point and measuring delays between the received signals.

Ретрансляция сигналов на центральный пункт обработки является существенным признаком и заявляемого способа.Relaying signals to a central processing point is an essential feature of the proposed method.

Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах, защищенных патентами РФ, технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость использования достаточно сложной системы единого времени.The reason that impedes the achievement in these analogues, protected by patents of the Russian Federation, of the technical result provided by the invention, is the need to use a rather complex system of uniform time.

Известен разностно-дальномерный способ определения местоположения мобильных объектов, заключающийся в поочередном излучении сетью опорных навигационных пунктов, расположенных в точках пространства с известными координатами, когерентных гармонических сигналов, их приеме на мобильном объекте, принятых от каждого опорного объекта и вычислении по ним координат мобильного объекта [Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1994, с. 211-214].The known differential-ranging method for determining the location of mobile objects, which consists in alternately emitting a network of navigation reference points located at points in space with known coordinates, coherent harmonic signals, receiving them on a mobile object, received from each reference object and calculating the coordinates of the mobile object from them [ Bakulev P.A., Sosnovsky A.A. Radar and radio navigation systems. - M .: Radio and communications, 1994, p. 211-214].

Измерение фазовых сдвигов сигналов и вычисление по ним координат мобильного объекта является существенным признаком и заявляемого способа.The measurement of the phase shifts of the signals and the calculation of the coordinates of the mobile object from them is an essential sign of the proposed method.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость в использовании высокоточной шкалы единого времени на объекте навигации и сложность реализации при больших расстояниях между опорными радионавигационными точками и объектом навигации.The reason that impedes the achievement in this analogue of the technical result provided by the invention is the need to use a high-precision scale of a single time at the navigation object and the difficulty of implementation at large distances between the reference radio navigation points and the navigation object.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ определения местоположения объекта навигации (заявка на патент №2014116786 от 24.04.2014, решение о выдаче патента от 05.06.2015).The closest in technical essence to the claimed (prototype) is a method for determining the location of the navigation object (patent application No. 2014116786 of 04.24.2014, the decision to grant a patent of 05.06.2015).

Способ заключается в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек.The method consists in simultaneously emitting by the navigation object two high-frequency harmonic signals with frequencies differing by a predetermined value, receiving them at several reference radio navigation points with known coordinates and generating difference frequency signals from them, transmitting said difference frequency signals to a central processing point, measuring the differences in it phases of difference frequency signals obtained from different reference radio navigation points.

Такие действия, как излучение объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, прием их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формирование из них сигналов разностной частоты, передача указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерения в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, являются существенными признаками заявляемого способа.Actions such as the radiation of two high-frequency harmonic signals with frequencies different by a given value from the navigation object, their reception at several reference radio navigation points with known coordinates, the formation of difference frequency signals from them, the transmission of these difference frequency signals to a central processing point, and the measurement of differences the phases of the differential frequency signals obtained from different reference radio navigation points are essential features of the proposed method.

Причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность определения координат объекта навигации в зоне обслуживания радионавигационной системы, использующей этот способ.The reason that impedes the provision in the prototype method of the technical result provided by the invention is the low accuracy of determining the coordinates of the navigation object in the service area of the radio navigation system using this method.

Размеры этой зоны обслуживания в способе-прототипе ограничены областью пространства, в которой расстояния между объектом навигации и каждой из опорных радионавигационных точек должны разниться между собой не более чем на половину длины волны сигнала с частотой, равной разности частот высокочастотных сигналов, излучаемых с объекта навигации. Только в этом случае координаты объекта навигации могут быть определены однозначно.The dimensions of this service area in the prototype method are limited by the area of space in which the distances between the navigation object and each of the radio navigation reference points should differ from each other by no more than half the wavelength of the signal with a frequency equal to the frequency difference of the high-frequency signals emitted from the navigation object. Only in this case the coordinates of the navigation object can be uniquely determined.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения координат объекта навигации и расширение области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации без снижения точности.The technical problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of determining the coordinates of the navigation object and expand the area of space within which it is possible to uniquely determine the coordinates of the navigation object without reducing accuracy.

Для достижения указанного технического результата в известном способе определения местоположения объекта навигации, заключающемся в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, из каждого сигнала разностной частоты в центральном пункте обработки дополнительно формируют сигнал масштабной частоты, величина которой в n раз больше разностной частоты, измеряют разности фаз сигналов масштабной частоты, сформированных для разных опорных точек, а результаты измерений разностей фаз сигналов на разностной и масштабной частотах пересчитывают с учетом взаимного расположения опорных радионавигационных точек и центрального пункта обработки в координаты объекта навигации.To achieve the specified technical result in a known method for determining the location of a navigation object, which consists in simultaneously emitting two high-frequency harmonic signals with different frequencies by a navigation object, receiving them at several reference radio navigation points with known coordinates and generating differential frequency signals from them, transmitting said differential frequency signals to the central processing point, measuring phase differences of the differential hour signals The signals obtained from different reference radio navigation points from each differential frequency signal at the central processing point additionally generate a scale frequency signal, the value of which is n times greater than the differential frequency, measure the phase differences of the frequency frequency signals generated for different reference points, and the measurement results of the differences the phases of the signals at the difference and scale frequencies are recounted, taking into account the relative position of the reference radio navigation points and the central processing point, to the coordinates of the object and navigation.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:The invention is illustrated in the drawing, which shows:

- на фиг. 1 - взаимное положение объекта навигации и трех опорных радионавигационных точек в прямоугольной системе координат 0XY;- in FIG. 1 - the relative position of the navigation object and the three reference radio navigation points in a rectangular coordinate system 0XY;

- на фиг. 2 - зона однозначного определения координат объекта навигации в привязке к этим точкам.- in FIG. 2 - zone of unambiguous determination of the coordinates of the navigation object in relation to these points.

Функционирование способа поясняется фиг. 1, на которой показаны мобильный объект (МО) навигации, находящийся в точке с неизвестными координатами XMO и YMO, опорные радионавигационные точки ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, расположенные в точках с известными координатами Х1 и Y1, X2 и Y2 и Х3 и Y3 соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 равны соответственно R1, R2 и R3. Там же показаны расстояния D1, D2, D3 между объектом навигации и опорными радионавигационными точками.The operation of the method is illustrated in FIG. 1, which shows a mobile navigation object (MO) located at a point with unknown coordinates X MO and Y MO , radio navigation support points ORT1, OPT2 and OPT3 located at points with known coordinates X 1 and Y 1 , X 2 and Y 2 and X 3 and Y 3, respectively, as well as the central processing point (CPO), the distances from which to the points ORT1, ORT2 and OPT3 are respectively R 1 , R 2 and R 3 . There are also shown the distances D 1 , D 2 , D 3 between the navigation object and the reference radio navigation points.

С объекта навигации излучают в направлении точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 сигнал SMO(t), представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с частотами ω1 и ω2:The signal S MO (t), which is the sum of two harmonic high-frequency signals with frequencies ω 1 and ω 2 , is radiated from the navigation object in the direction of the points OPT1, OPT2 and OPT3:

SMO(t)=A[cos(ω1t+φ1)+cos(ω2t+φ2)].S MO (t) = A [cos (ω 1 t + φ 1 ) + cos (ω 2 t + φ 2 )].

Эти сигналы излучают в течение промежутка времени, достаточного для осуществления фазовых измерений этих сигналов (эти измерения осуществляют в ЦПО, подробнее об этом будет сказано ниже). Указанные сигналы имеют амплитуды А и начальные случайные фазы φ1 к φ2.These signals emit for a period of time sufficient to carry out phase measurements of these signals (these measurements are carried out in the CPU, more on this will be discussed below). These signals have amplitudes A and initial random phases φ 1 to φ 2 .

Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и OPT3, удаленных от объекта навигации на расстояния D1, D2 и D3 соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S1(t), S2(t) и S3(t) имеют следующий вид:The emitted MO signal is received at the points OPT1, OPT2 and OPT3, remote from the navigation object at distances D 1 , D 2 and D 3, respectively. The signals S 1 (t), S 2 (t) and S 3 (t) received at the indicated points have the following form:

Figure 00000001
Figure 00000001

где с=2,9979·108 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.where c = 2.9979 · 10 8 m / s is the propagation velocity of radio waves in the atmosphere.

В каждой из опорных радионавигационных точек из принятого сигнала si(t)

Figure 00000002
, представляющего собой сумму двух высокочастотных гармонических сигналов с частотами ω1 и ω2, формируют сигналы с разностной частотой ωр=|ω12| (частотой биений):In each of the reference radio navigation points from the received signal s i (t)
Figure 00000002
Representing the sum of the two high-frequency harmonic signals with frequencies ω 1 and ω 2, produce signals at the difference frequency ω p = | ω 12 | (beat frequency):

Figure 00000003
Figure 00000003

Эти сигналы различаются амплитудами и фазами, которые определяются расстояниями D1, D2 и D3 соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО. Таким образом, в ЦПО принимают три следующих сигнала:These signals differ in amplitudes and phases, which are determined by the distances D 1 , D 2 and D 3, respectively. The generated differential frequency signals are transmitted through wire channels to the DSP. Thus, the following three signals are received in the CPU:

1) сигнал, поступивший из ОРТ1:1) the signal received from ORT1:

Figure 00000004
Figure 00000004

где ν - скорость распространения гармонического сигнала по проводному каналу.where ν is the harmonic signal propagation velocity along the wire channel.

Он отличается от сигнала SOPT1(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом

Figure 00000005
, который обусловлен прохождением расстояния R1, разделяющего ОРТ1 и ЦПО.It differs from the signal S OPT1 (t) in amplitude and an additional phase shift
Figure 00000005
, which is due to the passage of the distance R 1 separating ORT1 and CPO.

Этот сигнал можно представить в следующем виде:This signal can be represented as follows:

sЦ1(t)=AЦ1cos[ωpt+ψ1],s C1 (t) = A C1 cos [ω p t + ψ 1 ],

где

Figure 00000006
;Where
Figure 00000006
;

2) сигнал, поступивший из ОРТ2:2) the signal received from ORT2:

Figure 00000007
Figure 00000007

Он отличается от сигнала SOPT2(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом

Figure 00000008
, который обусловлен прохождением расстояния R2, разделяющего ОРТ2 и ЦПО.It differs from the signal S OPT2 (t) in amplitude and an additional phase shift
Figure 00000008
, which is due to the passage of the distance R 2 separating ORT2 and CPO.

Этот сигнал также можно представить в виде:This signal can also be represented as:

sЦ2(t)=AЦ2Cos[ωpt+ψ2], C2 s (t) = A C2 Cos [ω p t + ψ 2]

где

Figure 00000009
;Where
Figure 00000009
;

3) сигнал, поступивший из OPT3:3) the signal received from OPT3:

Figure 00000010
Figure 00000010

Он отличается от сигнала SOPT3(t) амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом

Figure 00000011
, который обусловлен прохождением расстояния R3, разделяющего OPT3 и ЦПО.It differs from the signal S OPT3 (t) in amplitude and an additional phase shift
Figure 00000011
, which is due to the passage of the distance R 3 separating OPT3 and CPU.

Этот сигнал также можно записать в виде:This signal can also be written as:

SЦ3(t)=AЦ3cos[ωpt+ψ3],S Ц3 (t) = A Ц3 cos [ω p t + ψ 3 ],

где

Figure 00000012
Where
Figure 00000012

В ЦПО измеряют разность фаз Δψ2121 сигналов sЦ2(t) и sЦ1(t), и разность фаз Δψ2323 сигналов sЦ2(t) и sЦ3(t):The phase difference Δψ 21 = ψ 21 of signals s Ц2 (t) and s Ц1 (t), and the phase difference Δψ 23 = ψ 23 of signals s Ц2 (t) and s Ц3 (t) are measured in the central processing unit:

Figure 00000013
Figure 00000013

Как следует из этих выражений, разности фаз Δψ21 и Δψ23 не зависят от начальных фаз излучаемых МО сигналов φ1 и φ2.As follows from these expressions, the phase differences Δψ 21 and Δψ 23 do not depend on the initial phases of the emitted MO signals φ 1 and φ 2 .

Вторые слагаемые

Figure 00000014
и
Figure 00000015
в уравнениях для разностей фаз Δψ21 и Δψ23 представляют собой фазовые набеги сигналов разностной частоты при их распространении из опорных радионавигационных точек к ЦПО. Они не зависят от пространственного положения объекта навигации и полностью определяются лишь расположением ЦПО относительно точек ОРТ1, ОРТ2 и OPT3. Эти величины можно рассчитать заранее.Second terms
Figure 00000014
and
Figure 00000015
in the equations for the phase differences Δψ 21 and Δψ 23 are phase incursions of signals of difference frequency during their propagation from the reference radio navigation points to the CPO. They do not depend on the spatial position of the navigation object and are completely determined only by the location of the CPO relative to the points ORT1, ORT2 and OPT3. These values can be calculated in advance.

Из измеренных в ЦПО разностей фаз Δψ21 и Δψ23 вычитают указанные выше фазовые набеги

Figure 00000016
и
Figure 00000017
. В результате находят разности фаз сигналов разностной частоты для опорных точек ОРТ2 и ОРТ1, а также ОРТ2 и OPT3 с учетом фазовых набегов. Эти разности фаз используются для вычисления разности дальностей D2-D1 и D2-D3, которые, в свою очередь, используют для вычисления координат объекта навигации.From the phase differences Δψ 21 and Δψ 23 measured in the CPO, the above-mentioned phase incursions are subtracted
Figure 00000016
and
Figure 00000017
. As a result, the phase differences of the difference frequency signals are found for the reference points ORT2 and ORT1, as well as ORT2 and OPT3, taking into account phase incursions. These phase differences are used to calculate the distance difference D 2 -D 1 and D 2 -D 3 , which, in turn, are used to calculate the coordinates of the navigation object.

Однозначное определение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, для которой разности фаз Δψ21 и Δψ23 сигналов разностной частоты не выходят за пределы интервала [-π/2÷π/2]. Это условие выполняется, если в пределах указанной области пространства расстояния от любой ее точки до любой из опорных радионавигационных точек различаются между собой не более чем на половину длины волны λр сигнала разностной частоты ωр. Область пространства, для которой выполняется это условие, ограничена четырехугольником ABEF, сторонами которого являются линии положения АВ, EF, BE и AF (фиг. 2), уравнения которых имеют следующий вид:An unambiguous determination of the coordinates of the navigation object is possible only in that region of space for which the phase differences Δψ 21 and Δψ 23 of the signals of the difference frequency do not go beyond the interval [-π / 2 ÷ π / 2]. This condition is satisfied if, within the specified space region, the distances from any of its points to any of the reference radio navigation points differ by no more than half the wavelength λ p of the signal of the difference frequency ω p . The region of space for which this condition is satisfied is bounded by the quadrilateral ABEF, the sides of which are the position lines AB, EF, BE, and AF (Fig. 2), the equations of which have the following form:

Figure 00000018
Figure 00000018

где параметр L1 равен

Figure 00000019
для линии AF и
Figure 00000020
для линии BE, а параметр L2 равен
Figure 00000019
для линии АВ и
Figure 00000020
для линии EF.where the parameter L 1 is equal
Figure 00000019
for the AF line and
Figure 00000020
for line BE, and parameter L 2 is
Figure 00000019
for line AB and
Figure 00000020
for line EF.

Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину λр и, следовательно, снижать величину разностной частоты ωр. Следует отметить, что этот путь расширения области однозначного определения координат ведет к снижению точности определения координат.To expand the region of unambiguous determination of coordinates, it is necessary to increase the value of λ p and, therefore, to reduce the value of the difference frequency ω p . It should be noted that this way of expanding the region of unambiguous determination of coordinates leads to a decrease in the accuracy of determination of coordinates.

Для предотвращения снижения точности определения координат в предлагаемом способе для сигналов, поступивших в ЦПО из разных из пар ОРТ, фазовые измерения осуществляют на двух частотах - на разностной ωр и на масштабной ωм, которая в n раз (примерно на порядок) превышает разностную. Для этого поступившие в ЦПО сигналы sЦ1(t)÷sЦ3(t) умножают по частоте в n раз, в результате чего дополнительно получают еще три сигнала с масштабной частотой ωм.In order to prevent a decrease in the accuracy of determining the coordinates in the proposed method for signals received by the central processing unit from different pairs of ORTs, phase measurements are carried out at two frequencies - on the differential ω p and on the scale ω m , which is n times (approximately an order of magnitude) higher than the difference. To do this, the signals s Ts1 (t) ÷ s Ts3 (t) received in the DSP are multiplied by frequency by a factor of n, resulting in an additional three more signals with a scale frequency of ω m .

При этом непосредственные фазовые измерения однозначны только на разностной частоте ωр, а на масштабной частоте ωм результаты непосредственных фазовых измерений неоднозначны. Для расчета координат объекта навигации используют фактические разности фаз ΔψФ сигналов на масштабной частоте ωм для двух разных ОРТ, которые вычисляют на основе результатов фазовых измерений следующим образом:In this case, direct phase measurements are unambiguous only at the difference frequency ω p , and at the scale frequency ω m the results of direct phase measurements are ambiguous. To calculate the coordinates of the navigation object, the actual phase differences Δψ Φ of the signals at the scale frequency ω m are used for two different ORTs, which are calculated based on the results of phase measurements as follows:

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

где

Figure 00000023
и
Figure 00000024
- разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах ωм и ωр;Where
Figure 00000023
and
Figure 00000024
- phase differences of the signals measured in the DPC at frequencies ω m and ω r ;

int(x) - целая часть аргумента х.int (x) is the integer part of the argument x.

Величина k представляет собой целое число периодов сигнала с частотой ωм, которое укладывается на интервале времени, соответствующем измеренной разности фаз

Figure 00000024
на частоте ωр.The value of k is an integer number of periods of the signal with a frequency of ω m , which fits into the time interval corresponding to the measured phase difference
Figure 00000024
at a frequency ω p .

Величины коэффициентов k и фактических разностей фаз ΔψФ находятся для каждой пары ОРТ.The values of the coefficients k and the actual phase differences Δψ Φ are found for each pair of ORT.

Ниже приведен алгоритм пересчета результатов фазовых измерений в координаты объекта навигации. Этот алгоритм применим для локальных навигационных систем, когда допустимо пренебречь сферичностью Земли, а скорость распространения радиоволн в зоне действия навигационной системы можно считать постоянной.Below is the algorithm for converting the results of phase measurements into the coordinates of the navigation object. This algorithm is applicable for local navigation systems when it is permissible to neglect the sphericity of the Earth, and the propagation velocity of radio waves in the coverage area of the navigation system can be considered constant.

Исходными данными для расчета являются:The initial data for the calculation are:

- разность фаз

Figure 00000025
сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ωр для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;- phase difference
Figure 00000025
signals measured at a frequency ω ATEC p for the navigation points and OPT2 ORT1;

- разность фаз

Figure 00000026
сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ωр для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3;- phase difference
Figure 00000026
signals measured in the CPO at a frequency of ω r for the radio navigation points ORT2 and OPT3;

- разность фаз

Figure 00000027
сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ωм для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;- phase difference
Figure 00000027
signals measured in the CPO at a frequency of ω m for the radio navigation points ORT1 and ORT2;

- разность фаз

Figure 00000028
сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ωм для радионавигационных точек ОРТ2 и OPT3.- phase difference
Figure 00000028
signals measured in the DPC at a frequency of ω m for the radio navigation points ORT2 and OPT3.

Кроме того, в расчете используются следующие параметры:In addition, the following parameters are used in the calculation:

- значение первой высокой частоты ω1;- the value of the first high frequency ω 1 ;

- значение второй высокой частоты ω2,- the value of the second high frequency ω 2 ,

- скорость распространения радиоволн в атмосфере с;- the propagation velocity of radio waves in the atmosphere with;

- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу ν;- the propagation speed of the radio signal through the wired channel ν;

- расстояние R21 между второй и первой опорными радионавигационными точками;- the distance R 21 between the second and first reference radio navigation points;

- расстояние R23 между второй и третьей опорными радионавигационными точками;- the distance R 23 between the second and third reference radio navigation points;

- расстояния R1, R2 и R3 между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и OPT3 соответственно;- the distances R 1 , R 2 and R 3 between the CPO and ORT1, ORT2 and OPT3, respectively;

- коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной.- coefficient n of excess of the scale frequency over the differential.

Порядок расчета следующий.The calculation procedure is as follows.

1. Вычисляются разностная и масштабная частоты ωр=|ω12| и ωм=n·ωр.1. The difference and scale frequencies ω p = | ω 12 | m and ω = n · ω p.

2. Вычисляются величины2. The values are calculated

Figure 00000029
Figure 00000029

3. Вычисляются фактические разности фаз сигналов для пар точек ОРТ2-ОРТ1 и ОРТ2-OPT3 на частоте ωм:3. Calculate the difference between the actual phases of the signals for pairs of points OPT2-ORT1 and OPT2-OPT3 at frequency ω m:

Figure 00000030
Figure 00000030

4. Решается навигационная задача - определяются координаты объекта навигации:4. The navigation problem is solved - the coordinates of the navigation object are determined:

а) вычисляются разности расстояний от объекта навигации до опорных точекa) the differences of distances from the navigation object to the reference points are calculated

Figure 00000031
Figure 00000031

Здесь D1, D2, D3 - расстояния от объекта навигации (МО) до первой ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей OPT3 опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг. 1;Here D 1 , D 2 , D 3 are the distances from the navigation object (MO) to the first ORT1, second ORT2 and third OPT3 of the radio navigation aids in accordance with FIG. one;

б) ΔD21 и ΔD23 нормируются по длинам базовых линий, и вычисляется параметр γ:b) ΔD 21 and ΔD 23 are normalized according to the lengths of the baselines, and the parameter γ is calculated:

Figure 00000032
Figure 00000032

в) определяются постоянные параметры:c) constant parameters are determined:

α=α2123;α = α 2123 ; b=γΔd23-Δd21,b = γΔd 23 -Δd 21 ,

где α21 - угол между осью

Figure 00000033
и базовой линией R21;where α 21 is the angle between the axis
Figure 00000033
and a baseline of R 21 ;

α23 - угол между осью

Figure 00000033
и базовой линией R2323 - the angle between the axis
Figure 00000033
and a baseline of R 23 ;

г) каким-либо из численных итерационных методов решается уравнение для вычисления угла β23 между базовой линией R23 и направлением на объект навигации:d) by any of the numerical iterative methods, the equation for calculating the angle β 23 between the base line R 23 and the direction to the navigation object is solved:

cos(α-β23)-γcosβ23=b;cos (α-β 23 ) -γcosβ 23 = b;

д) вычисляется расстояние D2 от точки ОРТ2 до объекта навигацииd) the distance D 2 from the point ORT2 to the navigation object is calculated

Figure 00000034
Figure 00000034

е) вычисляются координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:f) the coordinates of the navigation object are calculated in the local rectangular coordinate system, the origin of which is at the point ORT2:

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

При необходимости координаты объекта навигации пересчитываются в исходную прямоугольную систему координатIf necessary, the coordinates of the navigation object are converted to the original rectangular coordinate system

Figure 00000037
Figure 00000037

То обстоятельство, что в предлагаемом способе используют масштабную частоту ωм, а фазовые измерения выполняют на двух частотах, позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации, по сравнению с прототипом и одновременно не ухудшить точность их измерения.The fact that the proposed method uses a scale frequency ω m , and phase measurements are performed at two frequencies, allows us to conclude that the proposed method can significantly expand the area of space in which it is possible to uniquely determine the coordinates of the navigation object, compared to the prototype and at the same time degrade the accuracy of their measurement.

В предлагаемом способе для такого расширения достаточно выбрать частоту ωр достаточно низкой, а коэффициент n превышения масштабной частоты над разностной достаточно высоким.In the proposed method, for such an extension, it is sufficient to choose the frequency ω p sufficiently low, and the coefficient n of excess of the scale frequency over the difference frequency rather high.

Для примера на фиг. 2 показаны две заштрихованные области пространства, ограниченные четырехугольниками ABEF и GNMK соответственно, в которых возможно однозначное определение координат объекта навигации. Четырехугольник ABEF соответствует частоте биений, примерно в пять раз меньшей, чем четырехугольник GNMK.For the example of FIG. Figure 2 shows two shaded areas of space bounded by quadrangles ABEF and GNMK, respectively, in which an unambiguous determination of the coordinates of the navigation object is possible. The ABEF quadrangle corresponds to a beat frequency that is approximately five times smaller than the GNMK quadrangle.

В способе-прототипе частота биений выбирается достаточно низкой, например равной ωр, чтобы обеспечить однозначность фазовых (и соответственно координатных) измерений во всей зоне обслуживания радионавигационной системы. Это обстоятельство не позволяет при ограниченной точности фазовых измерений получить высокую точность определения координат объекта навигации.In the prototype method, the beat frequency is selected sufficiently low, for example, equal to ω p , to ensure the uniqueness of phase (and, accordingly, coordinate) measurements in the entire service area of the radio navigation system. This circumstance does not allow, with limited accuracy of phase measurements, to obtain high accuracy in determining the coordinates of the navigation object.

В предлагаемом же способе, фазовые измерения осуществляются не только на частоте ωр, а и на частоте ωм, которая в n раз (примерно на порядок) выше ωр, при этом измерения на частоте ωр используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а окончательные фазовые измерения осуществляются именно на более высокой частоте ωм, вследствие чего при той же относительной ошибке фазовых измерений абсолютная ошибка уменьшается в n раз.In the proposed method, phase measurements are carried out not only at a frequency ω p , but also at a frequency ω m , which is n times (about an order of magnitude) higher than ω p , while measurements at a frequency ω p are used only to eliminate the ambiguity of phase measurements, and the final phase measurements are carried out precisely at a higher frequency ω m , as a result of which, with the same relative error of the phase measurements, the absolute error decreases n times.

Техническая реализация способа не вызывает затруднений.The technical implementation of the method does not cause difficulties.

В качестве примера реализации рассмотрим реализацию предлагаемого способа для построения локальной навигационной системы для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных движущихся объектов: на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс). Для реализации системы может быть выбран диапазон частот 1200-1400 МГц. Зона действия локальной навигационной системы может составлять несколько сотен метров. Формирование двух гармонических сигналов (основного и дополнительного) на объекте навигации можно реализовать на основе двух синтезаторов частоты, синхронизируемых общим опорным генератором и сумматора. В качестве синтезаторов частоты можно применить, например, микросхемы типа ADF4360-5, в которых предусмотрена возможность изменения частоты путем подачи соответствующих цифровых кодов на входы управления и которые позволяют сформировать два высокостабильных гармонических сигнала с разносом частот от (0,1-100) МГц, в качестве опорного генератора термостабилизарованный кварцевый генератор типа NT3225SA.As an example of implementation, we consider the implementation of the proposed method for constructing a local navigation system for controlling traffic in high-risk areas where high-precision location of high-speed moving objects is required: on critical sections of their movement paths (for example, when approaching switch points on railway tracks, near steep closed turns of highways). For the implementation of the system, a frequency range of 1200-1400 MHz can be selected. The coverage area of the local navigation system can be several hundred meters. The formation of two harmonic signals (primary and secondary) at the navigation object can be implemented on the basis of two frequency synthesizers synchronized by a common reference oscillator and adder. As frequency synthesizers, for example, ADF4360-5 type microcircuits can be used, in which it is possible to change the frequency by applying the corresponding digital codes to the control inputs and which allow generating two highly stable harmonic signals with a frequency spacing of (0.1-100) MHz, as a reference oscillator, a thermally stabilized quartz oscillator type NT3225SA.

Для приема гармонических сигналов в опорных радионавигационных точках можно использовать интегральные СВЧ-усилители - микросхемы типа SPF5122Z. В качестве узла формирования сигнала разностной частоты можно использовать смеситель на транзисторе BFP620, в качестве нагрузки которого служит фильтр нижних частот с частотой среза 10 МГц.To receive harmonic signals at reference radio navigation points, you can use integrated microwave amplifiers - microcircuit type SPF5122Z. As a node for generating the differential frequency signal, you can use a mixer on the BFP620 transistor, the load of which is a low-pass filter with a cut-off frequency of 10 MHz.

Передачу сигналов разностной частоты из опорных радионавигационных точек в центральный приемный пункт можно реализовать по проводным каналам, либо по радиоканалам с разделением их по частоте.The transmission of difference frequency signals from the reference radio navigation points to the central receiving point can be realized via wired channels, or via radio channels with frequency separation.

Нормирование принятых в центральном пункте обработки сигналов по амплитуде осуществляется путем амплитудного ограничения принятых сигналов разностной частоты с помощью логарифмических усилителей AD8309.The amplitude of the signals received at the central processing center is normalized by amplitude limiting the received differential frequency signals using AD8309 logarithmic amplifiers.

Умножение частоты ωр можно реализовать путем жесткого амплитудного ограничения гармонического сигнала с частотой ωр с последующей частотной фильтрацией требуемой гармоники либо на основе схем с фазовой автоподстройкой частоты, в которой в качестве опорного сигнала используется гармонический сигнал с частотой ωp.Frequency multiplication ω p can be realized by hard amplitude limitation of a harmonic signal with frequency ω p followed by frequency filtering of the required harmonic or based on phase locked loop schemes in which a harmonic signal with frequency ω p is used as a reference signal.

Измерение разности фаз сигналов разностной частоты в центральном приемном пункте может быть реализовано с помощью фазового детектора на микросхеме SYPD-1.The measurement of the phase difference of the signals of the difference frequency in the Central receiving point can be implemented using a phase detector on the chip SYPD-1.

Аналоговые сигналы с выхода фазового детектора подаются через аналого-цифровые преобразователи на входные порты микопроцессора типа STM, в котором реализуется решение навигационной задачи по приведенному выше алгоритму.Analog signals from the output of the phase detector are fed through analog-to-digital converters to the input ports of the STM type microprocessor, which implements the solution of the navigation problem according to the above algorithm.

Способ может найти применение при построении локальных навигационных систем для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных движущихся объектов, на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс, на сортировочных горках железнодорожных станций, для автоматизированного управления сельскохозяйственными машинами).The method may find application in the construction of local navigation systems for controlling traffic in high-risk areas where high-precision location of high-speed moving objects is required, on critical sections of their movement paths (for example, when approaching switch points on railway tracks, near sharp closed turns highways, on the sorting hills of railway stations, for the automated control of agricultural machines).

Claims (1)

Фазоразностный способ определения местоположения объекта навигации, заключающийся в одновременном излучении объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с отличающимися на заданную величину частотами, приеме их в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами и формировании из них сигналов разностной частоты, передаче указанных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, измерении в нем разностей фаз сигналов разностной частоты, полученных из разных опорных радионавигационных точек, отличающийся тем, что из каждого сигнала разностной частоты в центральном пункте обработки дополнительно формируют сигнал масштабной частоты, величина которой в n раз больше разностной частоты, измеряют разности фаз сигналов масштабной частоты, сформированных для разных пар опорных точек, а результаты измерений разностей фаз сигналов на разностной и масштабной частотах пересчитывают с учетом взаимного расположения опорных радионавигационных точек и центрального пункта обработки в координаты объекта навигации. A phase-difference method for determining the location of a navigation object, which consists in simultaneously emitting two high-frequency harmonic signals with different frequencies by a navigation object, receiving them at several reference radio navigation points with known coordinates and generating differential frequency signals from them, and transmitting the indicated difference frequency signals to a central point processing, measuring in it the phase differences of the differential frequency signals obtained from different reference radio navigation of points, characterized in that from each difference frequency signal at a central processing point, a scale frequency signal is additionally generated, the value of which is n times greater than the difference frequency, the phase differences of the scale frequency signals generated for different pairs of reference points are measured, and the results of measurements of phase differences signals at the difference and scale frequencies are recounted taking into account the relative position of the reference radio navigation points and the central processing point to the coordinates of the navigation object.
RU2015127127/07A 2015-07-06 2015-07-06 Phase-difference method of locating navigation object RU2597007C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015127127/07A RU2597007C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Phase-difference method of locating navigation object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015127127/07A RU2597007C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Phase-difference method of locating navigation object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597007C1 true RU2597007C1 (en) 2016-09-10

Family

ID=56892641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015127127/07A RU2597007C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Phase-difference method of locating navigation object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597007C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2258242C2 (en) * 2003-06-23 2005-08-10 Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского Method and device for difference-range finding direction finding of radio emission source
WO2006129003A2 (en) * 2005-05-31 2006-12-07 France Telecom Method and device for locating a terminal in a wireless local area network
RU2365932C1 (en) * 2008-01-09 2009-08-27 Вячеслав Адамович Заренков Method of mobile object accurate positioning and monitoring
WO2012042315A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 Nokia Corporation Positioning
JP5116818B2 (en) * 2010-08-20 2013-01-09 中国電力株式会社 POSITIONING SYSTEM AND POSITIONING METHOD

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2258242C2 (en) * 2003-06-23 2005-08-10 Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского Method and device for difference-range finding direction finding of radio emission source
WO2006129003A2 (en) * 2005-05-31 2006-12-07 France Telecom Method and device for locating a terminal in a wireless local area network
RU2365932C1 (en) * 2008-01-09 2009-08-27 Вячеслав Адамович Заренков Method of mobile object accurate positioning and monitoring
JP5116818B2 (en) * 2010-08-20 2013-01-09 中国電力株式会社 POSITIONING SYSTEM AND POSITIONING METHOD
WO2012042315A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 Nokia Corporation Positioning

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КИНКУЛЬКИН И.Е. Фазовый метод определения координат. Москва, Советское радио, 1979, с.10-11,97-100. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6177467B1 (en) Radar operation with enhanced Doppler capability
CN108603928A (en) For reducing the method and system interfered caused by the phase noise in radar system
US9857452B2 (en) Method for locating and positioning using broadcast FM signals and phase difference computation technique
RU2604652C2 (en) Local phase difference-range-finding radio navigation system
Lindner et al. Dual tone approach for unambiguous six-port based interferometric distance measurements
US20030132880A1 (en) Precision position measurement system
RU2718593C1 (en) Method of determining, based on measured relative distances of coordinates of an object
EP3695243A1 (en) Phase-comparison of multi-frequency transmissions for assisting the determination of position or time
RU2559813C1 (en) Method of locating navigation object
RU2602432C1 (en) Broadband phase-differential local radio navigation system
RU2516432C2 (en) Method of locating radio-frequency source
RU2604871C2 (en) Method of locating navigation object
RU2597007C1 (en) Phase-difference method of locating navigation object
RU2584545C1 (en) Method of locating navigation object
RU2602506C1 (en) Phase-difference radio navigation system with broadband signal
RU2588057C1 (en) Method of locating objects for local navigation systems
RU2383914C1 (en) Method of synchronising watches and device for realising said method
RU2567114C1 (en) System for measuring coordinates of navigation object
WO2017099619A1 (en) Positioning method for local navigation systems
WO2017091100A1 (en) Method of determining the position of a navigated object
RU2575483C2 (en) Phase difference-ranging method for locating navigation object
RU2638572C1 (en) Method of determining coordinates of object
RU2457629C1 (en) Phase radio-navigation system
RU2662803C1 (en) Aircraft ground speed and the crab angle measuring method
RU2640032C1 (en) Method for determining coordinates of radio emission source

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170707