Система навигации

Устройство относится к радиосистемам навигации, предназначенным для определения текущих координат потребителем информации. Цель полезной модели - разработка мобильной системы локальной навигации, реализующей следующие положения:

исключение ошибок определения координат потребителя информации вследствие нестабильности эталонов частоты опорных станций и потребителя информации;

возможность изменения темпа формирования навигационного поля;

уменьшение ошибок геометрического фактора;

достижение автономности системы и мобильности обеспечения потребителей навигационными данными и др.

Новым является введение в структуру системы навигации опорной и трех ведомых станций, координаты точек стояния которых определены. Аппаратура опорной станции излучает сигнал, в структуре которого имеется признак, синхронизирующий сигнал и координаты. В режиме приема ведомые станции реагируют только на признак опорной станции, а в режиме передачи излучают (переизлучают) признак, координаты и синхронизирующий сигнал. Аппаратура потребителя информации принимает сигналы опорной и ведомых станций, и в результате решения системы уравнений определяет координаты потребителя информации. Применение предлагаемой системы навигации существенно повысит навигапионно-временное обеспечение различных потребителей и, в частности, при решении следующих задач: обеспечение навигационными данными наземных потребителей (объектов техники, транспортных средств, людей и т.д.), пилотируемых воздушных средств, беспилотных летательных аппаратов в пределах прямой радиовидимости; формирования навигационного поля для управляемого оружия в интересах его наведения на объекты, координаты которых известны.

Полезная модель относится к радиосистемам навигации, предназначенным для определения текущих координат потребителем информации.

Радиосистемы дальней навигации (дальномерные, квазидальномерные, разностно-дальномерные) представляют собой многопозиционные системы, основу которых составляет сеть опорных станций, размещенных в точках с известными координатами. Суть процедуры, реализуемой при дальномерном методе, в следующем. Опорные станции в моменты времени излучают навигационные сигналы, по которым потребитель, имеющий только приемную аппаратуру и устройства обработки сигналов, находит свое местоположение. При этом он использует собственный эталон времени, с помощью которого измеряется время прихода от опорной станции навигационного сигнала. Моменты времени излучения и приема синхронизированы со шкалой Всемирного координированного времени.

В случае расхождения временных шкал системы опорных станций и потребителя используют квазидальномерный метод определения местоположения.

Квазидальномерный метод реализован в отечественной глобальной навигационной спутниковой системе «ГЛОНАСС» и в американской «NAVSTAR». При этом, кроме координат, необходимо определить и величину временного расхождения шкалы системы опорных станций (искусственных спутников Земли) и шкалы потребителя. Число уравнений, решаемых вычислительным устройством потребителя, увеличивается на единицу по сравнению с дальномерным методом.

Таким образом, дальномерный метод определения местоположения потребителя информации исходит из того, что на каждой опорной станции и на потребителе имеются высокостабильные эталоны времени.

Для квазидальномерного метода необходимо лишь на каждой опорной станции иметь высокостабильный эталон времени.

В случае, когда потребителю информации требуется определить только свои координаты и не требуется определения составляющих скорости, в системе «ГЛОНАСС» («NAVSTAR») основными задачами, решаемыми аппаратурой потребителя являются [1]:

выбор рабочего созвездия искусственных спутников Земли (ИСЗ);

введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания;

измерение времени запаздывания;

выделение и расшифровка информационного сообщения;

расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений;

определение координат и поправки к сдвигу шкал времени;

отображение вычисленных данных на табло.

При выполнении перечисленных задач координаты потребителя могут быть определены с интервалом не менее 5...10 сек.

Величина такого интервала является достаточно большой и неприемлемой для решения таких важных задач, как, например, задачи наведения управляемых боеприпасов на ненаблюдаемые объекты поражения, координаты которых известны.

Следует также учитывать, что в периоды "конфликтных ситуаций" на безпомеховое воздействие на систему "ГЛОНАСС" вряд ли приходится рассчитывать.

В известных разностно-дальномерных системах навигации (определения координат местоположения потребителя информации) реализованы фазовые методы, при использовании которых может быть получен требуемый темп измерений. При этом система также содержит опорную станцию и несколько ведомых. На опорной и ведомых станциях имеются эталонные генераторы, которые синхронизируют передатчики. В аппаратуре потребителя информации принятые сигналы после усиления подаются на коммутатор, работающий синхронно с переключениями опорной и ведомых станций. В структуре потребителя имеется опорный генератор, который совместно с измерителями фаз обеспечивает измерение разности фаз сигналов от опорной станции и от ведомой станции. По разности фаз сигналов

от опорной и ведомой станций находится разность дальностей между ними и потребителем информации, а также строится линия (поверхность) положения.

Аналогично по разности фаз сигналов от опорной станции и от другой ведомой станции находится разность дальностей между ними и потребителем информации и строится еще одна линия (поверхность) положения.

Для определения своих координат потребитель информации кроме линий (поверхностей) положения имеет в базе данных координаты опорной и ведомых станций.

Однозначность измерения дальности в фазовых системах навигации обеспечивается только в пределах длины волны несущего колебания. Для разрешения многозначности измерений используют импульсно-фазовые системы; их навигационный сигнал представляет собой пачку когерентных импульсов, несущая частота которых служит для точного, а огибающая - для грубого измерения разности дальностей с целью устранения многозначности точных измерений.

По сущности технического решения наиболее близким к предлагаемой системе является система LORAN-С [2, стр.213]. В системе LORAN-С все опорные станции работают на фиксируемой частоте, стабилизируемой с помощью цезиевых стандартов частоты. Навигационный сигнал ведущей опорной станции отличается от сигнала ведомых станций числом импульсов в пачке и законом фазового кодирования, что используется для опознавания сигнала и повышения его помехоустойчивости. В системе LORAN-С для исключения одновременного приема потребителем информации сигналов разных опорных станций осуществляется их дополнительная задержка. Измерительные импульсы имеют временное положение, совпадающее с концом третьего периода несущих колебаний.

Существенное влияние на точность определения координат потребителя оказывает стабильность эталонов частоты в аппаратуре опорных станций и потребителя. Например, при уходе частот, приводящее к ошибке в определении разности времени равном 15 мс, даст ошибку определения координат 4,5 м.

Темп формирования навигационного поля в системах типа "LORAN-С" является постоянным и не может регулироваться в соответствии с задачами, решаемыми потребителями информации.

Точность разностно-дальномерных систем зависит от геометрического фактора. Для стационарных разностно-дальномерных систем геометрический фактор варьироваться не может.

Целью настоящей полезной модели является разработка мобильной системы локальной навигации, в которой перечисленные выше недостатки отсутствуют.

Мобильной системой локальной навигации будем называть такую, которая обладает свойством экстренного развертывания на локальной части земной поверхности и предназначена для решения следующих задач:

обеспечения навигационными данными наземных потребителей (объектов техники, транспортных средств, людей и т.д.) в пределах прямой радиовидимости;

обеспечения навигационными данными пилотируемых воздушных средств, беспилотных летательных аппаратов;

формирования навигационного поля для управляемого оружия в интересах его наведения на объекты, координаты которых известны.

Указанная цель достигается формированием позиционного навигационного сигнала аппаратурой опорной и ведомых станций соответствующей структуры.

Перечень рисунков на чертежах:

Фиг.1. Схема взаимного расположения опорной и ведомых станций и потребителя информации;

Фиг.2. Временная диаграмма формирования моментов излучения и приема сигналов;

Фиг.3. Иллюстрация к выводу уравнений;

Фиг.4. Структура позиционного навигационного сигнала;

Фиг.5. Структурные схемы опорных станций и аппаратуры потребителя информации прототипа;

Фиг.6. Структурные схемы опорной, ведомых станций и аппаратуры потребителя информации заявляемой системы навигации.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Для формирования навигационного поля разворачиваются три станции, опорная и две ведомых, в

случае необходимости определения координат на плоскости и четыре - в случае трехмерного пространства.

Подход к раскрытию сущности полезной модели идентичен для обоих случаев, поэтому остановимся на рассмотрении случая определения координат на плоскости (см. фиг.1).

При развертывании опорной и ведомых станций на местности определяются их прямоугольные координаты x_i, y _i (i=1, 2, 3) известными в топогеодезии методами. Опорная станция (OC₁) излучает радиосигнал, в структуре которого присутствуют признак принадлежности к OC ₁, координаты OC₁ и синхронизирующий импульс.OC₁ работает только в режиме излучения. Вторая, третья ведомые станции принимают сигналы только по признаку принадлежности его к первой. При выполнении этого условия BC ₂ (ВС₃) излучает сигнал, в структуре которого, так же, как и для OC₁ содержатся признак принадлежности к ВС₂ (ВС ₃), координаты ВС₂ (ВС ₃) и синхронизирующий импульс. Таким образом, в каждой точке электромагнитного навигационного поля присутствуют признаки опорной и ведомых станций, их координаты и синхронизирующие импульсы.

Покажем достаточность перечисленных данных для определения координат потребителем информации x_п, y _п (см. фиг.2). На временной диаграмме показаны:

o ₁t₁ - время прохождения синхронизирующего импульса от OC₁ до потребителя (дальности Д₁);

₁₂ - время прохождения электромагнитной энергией отрезка d₁₂ - расстояния от OC ₁ до ВС₂;

o₂t₂ - время прохождения электромагнитной энергией отрезка Д ₂ - расстояния от ВС₂ до потребителя;

Потребитель информации после приема фиксирует моменты прихода сигнала от OC₁-t ₁ и от BC₂-t₂ и вычисляет разность t₁₂, а также произведение c·t₁₂, с - скорость распространения электромагнитной энергии.

Из фиг.2 и фиг.3 следует зависимость:

С учетом представленных выше зависимостей получим уравнение вида (1)

в котором неизвестными являются x _п, y_п.

Для формирования второго уравнения воспользуемся аналогичными связями, но между OC ₁ и ВС₃. В результате получим следующее уравнение:

В результате совместного решения уравнений (1) и (2) вычисляют x_п, y_п . Для трехмерного случая система уравнений по определению координат потребителя будет иметь вид (3):

где x₁, y ₁, z₁^ - координаты опорной станции (OC₁);

x_k, y_k, z_k - (k=2, 3, 4) координаты второй, третьей и четвертой ведомых станций (ВС ₂, ВС₃, ВС₄ );

x_n, у_n, z_n - координаты потребителя информации;

t₁₂, t₁₃, t ₁₄ - разность времени прихода синхронизирующего сигнала на потребитель информации от первой и соответственно второй, третьей, четвертой опорных станций;

с=3·10 ⁸ м/с.

Рассмотрим структуру позиционного навигационного сигнала опорной и ведомых станций (см. фиг.4). Исходя из предлагаемой идеи построения системы навигации, в структуре навигационного сигнала и опорной и ведомых станций должны быть позиции в следующей временной последовательности:

- позиция кода станции;

- позиция синхронизирующего сигнала;

- позиция координат станции.

С приходом навигационного сигнала от опорной станции к потребителю информации запоминаются ее координаты и временное положение синхронизирующего сигнала. Следует указать, что аппаратура опорной станции работает только на передачу, режим приема отсутствует.

Аппаратура ведомых станций имеет режимы приема и излучения (передачи). В режиме приема аппаратура ведомых станций реагирует только на код

опорной станции. В режиме передачи излучает код и координаты станции. Формирование синхронизирующего сигнала ведомых станций осуществляется под действием синхронизирующего сигнала опорной станции. Аппаратура потребителя информации при приеме сигнала ведомых станций запоминает временное положение синхронизирующего сигнала и координаты.

На фиг.5 представлена структурная схема опорных станций и потребителя информации прототипа, на фиг.6 - структурная схема опорной, ведомых станций и аппаратуры потребителя информации предлагаемой системы навигации.

Структурная схема опорной станции (фиг.6, а) содержит: устройство ввода кода и координат станции, задающий генератор, передатчик и антенну. Устройство ввода кода и координат станции обеспечивает ввод и запоминание кода и координат опорной станции, которые под действием сигналов задающего генератора через модулятор осуществляют модуляцию высокочастотных колебаний передатчика. Задающий генератор формирует период излучения данных опорной станции.

Структурная схема ведомых станций (фиг.6, б) содержит: антенну, развязывающее устройство, усилитель радиочастоты, дешифратор, устройство ввода кода и координат станции, модулятор и передатчик. Дешифратор обеспечивает выделение сигнала только от опорной станции, под действием которого устройство ввода кода и координат станции, модулятор, передатчик формируют излучаемый антенной сигнал ведомой станции.

Структурная схема потребителя информации (фиг.6, в) содержит антенну, усилитель радиочастоты, дешифратор, генератор тактовых импульсов, измеритель разности времени и запоминающее устройство. Запоминающее устройство от дешифратора получает коды (номера) станций и их координаты, а от измерителя разности времени- разности времени между моментом прихода сигнала от опорной и ведомых станций.

Список используемой литературы

1. Радиотехнические системы: Учебник для вузов по спец. "Радиотехника". / Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов и др.; / Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: Высшая школа, 1990. - 496 с.

2. Бакулев А.П., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1994. - 296 с.

Система навигации, основанная на информационно-энергетическом взаимодействии опорных и ведомых станций и потребителя информации и содержащая в аппаратуре станций антенну, передатчик, в аппаратуре потребителя информации антенну, усилитель радиочастоты, запоминающее устройство, отличающаяся тем, что с целью исключения ошибок определения координат потребителя информации вследствие нестабильности эталонов частоты опорных станций и потребителя информации, возможности изменения темпа формирования навигационного поля, уменьшения ошибок геометрического фактора, исключения необходимости обязательного занесения координат опорных станций в аппаратуру потребителя, достижения автономности системы и мобильности обеспечения потребителей навигационными данными, она содержит: в аппаратуре опорной станции - задающий генератор, устройство ввода кода и координат станции, модулятор, при этом выход задающего генератора соединен со входами передатчика, модулятора и устройства ввода кода и координат станции, выход которого подключен ко второму входу модулятора, выход которого соединен со вторым входом передатчика; в аппаратуре ведомых станций - развязывающее устройство, усилитель радиочастоты, дешифратор, соединенные последовательно, модулятор, устройство ввода кода и координат станции, при этом выход дешифратора подключен ко второму входу развязывающего устройства и ко входу устройства ввода кода и координат станции, выход которого соединен со входом модулятора; в аппаратуре потребителя информации - дешифратор, первые два выхода которого подключены ко входам измерителя разности времени, третий и четвертый выходы соединены с запоминающим устройством, измеритель разности времени, вход которого подключен к генератору тактовых импульсов, а выход - к запоминающему устройству.