Устройство определения координат источника сигнала

Полезная модель направлена на определение координат источника сигнала различной физической природы и относится к области средств радионавигации. Наиболее близким по технической сущности, к заявленной полезной модели, является устройство реализующее «Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения». Однако это устройство обладает рядом недостатков, такими как, невозможность определения координат источника сигнала любой физической природы, что не позволяет позиционировать источники сигналов, физическая природа которых отлична от природы электромагнитных излучений, а также не учет времени распространения радиосигнала от антенн до измерителей разности времени, что приводит к существенным ошибкам в определении координат источника сигнала. Цель полезной модели заключается в обеспечении возможности определения координат источника сигнала любой физической природы и учета времени распространения радиосигнала от антенн до измерителя разности времени. Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство за счет применения трех сигнализационных датчиков, трех антенн, трех усилителей, двух линий связи, одного вычислителя разности времени, одного вычислителя координат сигнализационных датчиков, одного вычислителя координат источника сигнала и одного блока индикации, а также организации связей между ними позволяет определить координаты источника сигнала различной физической природы, с учетом времени распространения радиосигнала от антенн до измерителя разности времени.

Полезная модель относится к области средств радионавигации и может быть использована в специализированных навигационных комплексах. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности определения координат источника сигнала, физическая природа которого определяется характером выполняемых объектом функциональных задач. Сигнал может быть: электромагнитным в видимом, инфракрасном (тепловом) и радиоволновом диапазонах, акустическим, сейсмическим и др..

В известных устройствах определения координат либо азимута источника радиоизлучения (ИРИ) выполняют следующие операции:

- располагают три антенны в вершинах треугольника;

- принимают сигнал ИРИ на все три антенны;

- измеряют разности времен приема сигнала ИРИ антенны, образующими измерительной базы;

- вычисляют либо азимут ИРИ, либо координаты точки, принадлежащей линии положения, либо координаты ИРИ.

При этом последняя операция выполняется на основе разностно-дальномерного метода определения местоположения ИРИ.

В известных устройствах определения координат, либо азимута источника радиоизлучения (ИРИ) выполняют следующие операции:

- располагают три антенны в вершинах треугольника;

- принимают сигнал ИРИ на все три антенны;

- измеряют разности времен приема сигнала ИРИ на антенны, образующие измерительные базы;

- вычисляют либо азимут ИРИ, либо координаты ИРИ.

При этом последняя операция выполняется на основе разностно-дальномерного метода определения местоположения ИРИ.

В качестве прототипа выбрано устройство, представленное на фиг.1 [1].

В данном устройстве измеряют разности времен приема сигнала источника радиоизлучения антеннами, образующими две измерительные базы. Процедура измерения разности времени, к сожалению, не раскрыта в данном устройстве. При передаче радиосигнала от антенны к измерителям разности следует учитывать время распространения, поскольку отрицание этого факта приведет к существенным ошибкам в определении координат ИРИ. Если предположить, что на каждой из антенн фиксируется время прихода радиосигнала, то следует, что на каждой из антенн должен быть эталон времени, при этом нулевые значения шкал времени всех эталонов должны быть согласованы. Техническая реализация по установке эталонов времени и согласованию их шкал является сложной и дорогостоящей задачей.

Устройство-прототип направлено только на определение координат (пеленга) на источник радиоизлучения, возможность определения координат источника сигнала другой физической природы исключается. Известны приемопередающие системы охранной сигнализации, например [3], преобразующие сигнал иной физической природы в электрический сигнал, с последующим кодированием его, переносом на радиочастоту с излучением (Фиг.3). В предлагаемом устройстве приемопередающая система охранной сигнализации названа сигнализационным датчиком с сохранением структуры и выполняемых функций. Сигнализационные устройства устанавливают на стационарных объектах и применяют для фиксации факта появления источника сигнала. Координаты носителя источника сигнала можно определить ориентировочно по известным координатам сигнализационного датчика при нахождении их в непосредственной близости.

Недостатками прототипа являются:

- невозможность определения координат источника сигнала любой физической природы;

- не учет времени распространения радиосигнала от антенн до измерителей разности времени.

Целью полезной модели является обеспечение возможности определения координат источника сигнала и учет времени распространения радиосигнала от антенн до измерителя разности времени.

Поставленная цель достигается выполнением действий следующей последовательности.

1. После дистанционной установки сигнализационных датчиков, забрасываемых в район предполагаемого нахождения источника сигнала с помощью средств доставки (снаряд, ракета, самолет), определяют их прямоугольные координаты, для чего (Фиг.5) принимают радиосигнал каждого из сигнализационных датчиков антеннами A₁, A₂ , A₃, после усиления ретранслируют радиосигналы от боковых антенн A₁, A₃ к центральной А ₂ и измеряют разности времени (,) j=1,2,3 прихода электромагнитной энергии на антенну А ₂:

а) от первого сигнализационного датчика (Фиг.5)

где - время прохождения электромагнитной энергии от первого сигнализационного датчика до i-ой антенны (i=1,2,3);

- время прохождения электромагнитной энергии от антенны «i» к измерителю у антенны А₂;

б) от второго сигнализационного датчика

в) от третьего сигнализационного датчика

Решением системы уравнений вычисляют координаты:

а) первого сигнализационного датчика ()

где () - известные координаты антенн;

c=310⁸ м/с - скорость распространения электромагнитной энергии;

б) второго сигнализационного датчика ()

в) третьего сигнализационного датчика ()

Покажем порядок получения систем (4), (5), (6) на примере первого уравнения системы (4). При умножении правой и левой части равенства (1) на скорость распространения радиоволны «с» получим:

где - расстояние между первым сигнализационным датчиком и первой (второй) антенной.

Уравнение (7) является уравнением разностно-дальномерного метода, с учетом времени распространения радиосигнала от антенн A₁ A₃ до измерителя разности времени, находящегося у центральной антенны А₂ .

2. Переносят сигнал источника, принятый сигнализационными датчиками, на радиочастоту и ретранслируют от 1-го (2-го, 3-го) сигнализационного датчика к центральной антенне A₂ и измеряют, разность времени прихода радиосигнала относительно времени прихода на центральный пост (Фиг.6)

где t_ид1, t_ид2, t _ид3 - время распространения сигнала от источника излучения до сигнализационных датчиков Д₁, Д₂, Д ₃ соответственно;

t_д1а1, t _д2а2, t_д3а3 - время распространения радиосигнала от сигнализационных датчиков СД₁, СД₂, СД₃ до антенн А₁, А₂, А ₃ соответственно;

t_а1а2, t _а3а2 - время распространения радиосигнала от антенн А ₁, А₃ до антенны А₂.

3. Вычисляют время распространения электромагнитной энергии от сигнализационных датчиков к антеннам и между антеннами

и значения

,

.

4. Вычисляют разности времени прихода сигнала от источника к первому и второму сигнализационным датчикам и от источника к третьему второму сигнализационному датчикам (Фиг.6):

,

.

5. Вычисляют координаты источника сигнала решением системы уравнений

где а - скорость распространения сигнала, формируемого источником.

В состав заявленного устройства входят (Фиг.2):

1. антенна 1;

2. антенна 2;

3. антенна 3;

4. усилитель;

5. усилитель;

6. усилитель;

7. линия связи;

8. измеритель разности времени;

9. линия связи;

10. вычислитель координат сигнализационных датчиков;

11. вычислитель координат источника сигнала;

12. блок индикации;

13. сигнализационные датчики.

На фиг.3 представлена структурная схема сигнализационного датчика [4]. После дистанционной установки трех сигнализационных датчиков (блоков 1, 2, 3) в районе возможного появления источника сигнала определяют их прямоугольные координаты. С этой целью излучаемый каждым сигнализационным датчиком радиосигнал принимают антеннами (блоками 4, 5, 6) усиливают (в блоках 7, 8, 9) и через линии связи (блоки 10, 12) от первой A₁ (блока 4) и третьей А₃ (блока 6) антенны ретранслируют к центральной А ₂ (блоку 5). Две разности времени и (i=1,2,3, зависимости (1), (2), (3)) формирует измеритель разности времени (блок 11) по радиосигналу от каждого сигнализационного датчика. Вычислитель координат сигнализационных датчиков (блок 13) по известным координатам антенн, измеренным разностям времени решает системы (4), (5), (6) по определению координат сигнализационных датчиков, которые фиксируют в блоке индикации (блоке 15) и подают в вычислитель координат источника сигнала (блок 14).

С появлением источника сигнала, на который реагирует сигнализационные датчики (блоки 1, 2, 3), сигнал переносят на радиочастоту и ретранслируют от первого (второго, третьего) датчика через первую (вторую, третью) антенну (блоки 4, 5, 6) к измерителю разности времени (блоку 11), определяют t_1изм, t_2изм и подают измеренные разности на 2 вход вычислителя координат источника сигнала (блок 14).

В блоке 14: вычисляют время распространения радиосигнала от первого (второго, третьего) датчика к первой (второй, третьей) антенне и между боковыми и центральной антеннами в соответствии с зависимостью (9); вычисляют разности времени прихода сигнала от источника к первому и второму датчикам и от источника к третьему и второму датчикам по зависимостям (10).

Вычисляют координаты источника сигнала (x_и,y_и)решением системы уравнений (11). Полученные координаты подают на блок индикации (блок 15).

Таким образом, заявленные возможности разработанного устройства по определению координат источника сигнала (звукового, инфракрасного, сейсмического и др.) и по учету времени распространения радиосигнала от антенн до измерителя разности времени выполнены.

Список использованных источников

1. Сайбель А.Г. Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ 2309420 от 27.10.2007.

2. Сайбель А.Г. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ 2298242 от 20.02.2005.

3. Берсенев А.И. Приемопередающая система охранной сигнализации. Патент РФ 2025780 от 30.12.1994

4. Сайбель А.Г. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ 2003118800 от 20.02.2005.

Устройство определения координат источника сигнала, содержащее сигнализационный датчик, три антенны, два измерителя разности времени, блок индикации, отличающееся тем, что содержит три сигнализационных датчика, выходы 1, 2, 3 которых связаны по радиоканалу с входами антенн 4, 5, 6, выходы антенн 4, 5, 6 подключены к входам усилителей 7, 8, 9, выходы усилителей 7, 9 соединены с входами линий связи 10, 12, выход линии связи 10 подключен к первому входу измерителя разности времени 11, выход усилителя 8 подключен к второму входу измерителя разности времени 11, выход линии связи 12 подключен к третьему входу измерителя разности времени 11, выход которого соединен с входом вычислителя координат сигнализационных датчиков 13 и с вторым входом вычислителя координат источника сигнала 14, выход последнего подключен к второму входу блока индикации 15, выход вычислителя координат сигнализационных датчиков 13 соединен с первым входом вычислителя координат источника сигнала 14 и блока индикации 15.