Сравнительная оценка разностно-дальномерного и угломерного(пеленгационного) методов определения координат ИРИ

На практике для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) применяют угломерный (пеленгационный), дальномерный, суммарно-дальномерный, разностно-дальномерный методы, а также их комбинации .

Из описания указанных методов можно выделить их характерные особенности.

Так, для реализации дальномерного и суммарно-дальномерного метода на приемных пунктах должна быть известна структура сигнала. В связи с этим среди перечисленных выше типов РЭС такие методы могут быть применены лишь для местоопределения абонентских терминалов (АТ) сотовой связи, поскольку их функционирование принципиально возможно только под управлением базовой станции, которая в процессе радиообмена всегда измеряет дальность до АТ.

Для угломерного (УМ) и разностно-дальномерного методов (РДМ) не требуются информация о точной структуре сигнала, а достаточно указать лишь область спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Причем, все больше производителей техники определения координат ИРИ обращают внимание на РДМ, в связи с появлением недорогих компактных вычислительных ресурсов и усовершенствованных технологий радиоприема, доступностью каналов передачи данных, а также наличием точных распределяемых сигналов хронирования.

В таблице приводятся результаты анализа достоинств и недостатков традиционных вариантов построения РДМ (с жесткой синхронизацией периферийных приемных пунктов) в сравнении с УМ, заимствованные из отчета Международного союза электросвязи МСЭ-R SM.2211.

Таблица

Более простые требования к антенне	Антенна является дешевой, несложной и может иметь небольшой размер. Приемники РДМ могут использовать одну простую антенну (например, несимметричный или симметричный вибратор). Дополнительным преимуществом является то, что можно изготовить малозаметную антенну небольшого размера.
Более простые требования к выбору места и калибровке	Для РДМ требования к выбору места являются менее жесткими, чем для УМ, и калибровка практически не требуется. В результате развертывание оборудования РДМ осуществляется быстрее. Можно установить дополнительные приемники РДМ, для того чтобы преодолеть влияние затенения от высоких препятствий. В системе УМ места должны выбираться таким образом, чтобы свести к минимуму искажение фронта волны, обусловленное вторичными излученными локальных препятствий, отражениями от земли и изменением проводимости почвы. Некоторые антенные решетки системы УМ должны быть калиброваны после установки на месте, для того чтобы свести к минимуму результирующие ошибки, зависящие от частоты и направления.
Широкополосные сигналы, сигналы с низким ОСШ, а также сигналы малой длительности	Метод РДМ эффективно работает с новыми и появляющимися сигналами, характеризующимися сложными методами модуляции, широкой полосой и малой длительностью. С увеличением ширины полосы сигнала степень эффективности РДМ, как правило, возрастает. Метод УМ, эффективно работает с узкополосными сигналами. Усовершенствованные методы УМ могут применяться для определения местоположения любых сигналов, в том числе широкополосных, сложных и коротких. Степень эффективности УМ, в приближении, не зависит от ширины полосы сигнала, при условии, что разнос каналов, подвергающихся быстрому преобразованию Фурье (БПФ), равен ширине полосы сигнала. Оба метода, РДМ и УМ, эффективнее работают с сигналами, имеющими более высокие ОСШ, и при большем времени интегрирования. Выигрыш за счет корреляционной обработки позволяет с помощью методов РДМ обнаруживать и определять местоположение сигналов с низким (и даже отрицательным) ОСШ. Кроме того, он позволяет задействовать при определении географического местоположения дополнительные приемники РДМ. Сигналы с низким ОСШ могут обрабатываться с помощью усовершенствованных методов УМ, например корреляционных методов УМ с повышенной разрешающей способностью или со вспомогательными данными (опорная радиопеленгация). Определение географического местоположения источников сигналов малой длительности требует координированной работы приемников, синхронизированных по времени до доли величины, обратно пропорциональной ширине полосы сигнала. Обеспечение такой возможности является непременным условием работы систем РДМ. Кроме того, методом РДМ можно определить географическое местоположение на основе измерений очень малой длительности, проводимых в отношении сигналов большей длительности. Если элементы антенны УМ коммутированы, то необходимое время интегрирования будет меньше.
Сложность системы	Приемник и антенна системы РДМ являются более простыми, чем типовая антенная решетка и двух- или многоканальный приемник системы УМ. Приемнику системы РДМ требуется как минимум один РЧ канал в реальном времени для обработки без задержки и с максимальной вероятностью перехвата сигнала (1) .
Подавление некоррелированных шумов и помех	С помощью корреляционной обработки, используемой в РДМ, можно подавлять сигналы на совпадающей частоте, совпадающий по времени шум и сигналы помех, которые некоррелированы между местами проведения измерений. Это свойство позволяет системе определять географическое местоположение источников сигналов с низкими отношениями сигнала к помехе и шуму (низкое отношение SINR). Усовершенствованные системы УМ могут ослаблять влияние некоррелированных и совпадающих по времени помех на совпадающей частоте путем использования корреляции с опорными сигналами. Другие усовершенствованные методы обработки, например MUSIC могут быть устойчивыми к некоррелированным шумам и помехам. Однако такие методы требуют дорогостоящих вычислений и не получили широкого применения при осуществлении контроля за использованием спектра.
Ослабление влияния когерентных помех на совпадающей частоте (многолучевости) при определенных условиях	Степень эффективности УМ и РДМ, снижается в условиях многлучевости - когерентных помех на совпадающей частоте. Воздействие на каждый метод различается в зависимости от положения датчика по отношению к многолучевым отражениям. При достаточной ширине полосы сигнала метод РДМ менее чувствителен к искажению фронта волны за счет локальных препятствий (локальной многолучевости). Может потребоваться усовершенствованная обработка сигнала для устранения неопределенностей при определении местоположения, вызванных удаленными препятствиями (дистанционная многолучевость). С помощью усовершенствованной обработки можно дополнительно отфильтровать корреляционные пары, используемые при определении местоположения методом РДМ, и улучшить результаты, получаемые в условиях повышенной многолучевости. При усовершенствованной обработке методом РДМ можно исключить временные задержки при многолучевом распространении между местами проведения измерений, что обеспечивает высокую эффективность в условиях со сложным рельефом местности.
Соображения относительно конфигурации	РДМ и УМ, обеспечивают наибольшую точность, при ИРИ расположеном в центре периметра, образованного местами проведения измерений. Точность определения географического местоположения методом РДМ определяется геометрическим показателем снижения точности, качеством временной синхронизации и качеством оценки РДМ. Точность методов УМ напрямую зависит от расстояния между источником и каждым приемником УМ. Неопределенность положения является функцией от неопределенности угла пеленга и расстояния от приемника до оцениваемого положения. Неопределенность местоположения и пеленга увеличивается с расстоянием одинаково в обоих методах.
Высокая степень пригодности к использованию в сетях РЧ датчиков	В обоих методах, РДМ и УМ, увеличение числа приемников ведет к улучшению результатов. Метод РДМ хорошо подходит для развертывания многих приемников.
Возможность анализа в полностью автономном режиме на центральном сервере	В системах РДМ могут храниться и регистрироваться скоординированные во времени измерения сигналов от всех приемников, поэтому на центральном сервере можно осуществлять анализ в полностью автономном режиме. Сюда входит спектральный анализ сигнала каждого приемника, кросскорреляционные измерения и определение географического местоположения. В системах УМ на центральном сервере также могут храниться и регистрироваться некоторые измерения сигналов (например, результаты пеленгации и точность пеленгации). Эти измерения скоординированы во времени до той степени временной синхронизации, которая достижима в системе УМ. Такие измерения, как результаты спектрального анализа и перекрестной корреляции, не являются типовыми, поскольку для них требуется такая же скорость передачи данных по соединительным линиям, как и в РДМ.

(1) В типовых корреляционных системах интерферометрии используется временное разделение для уменьшения числа необходимых приемников. Этим системам требуется два-три приемника, подключенных к пяти, семи или более антеннам. Эти системы являются менее сложными, чем полностью параллельные системы радиопеленгации, однако для определения местоположения им необходима бóльшая минимальная длительность сигнала.

Представленный в таблице качественный анализ достоинств и недостатков УМ и РДМ на первый взгляд свидетельствует о предпочтительности применения для реализации процедуры радиомониторинга РДМ. Вместе с тем, однозначно нельзя утверждать, что данный метод будет предпочтительнее во всех случаях. Поэтому далее проведем более детальное сравнение указанных методов на количественной основе. Для этого воспользуемся показателем в виде эллипса рассеяния ошибок , который характеризует разброс ошибок местоопределения конкретными численными показателями – размерами его малой и большой полуосей, а также их наклоном.

Для построения эллипса рассеяния с центром в точке сначала рассчитываются элементы матрицы точности местоопределения . Обратной к матрице точности является соответствующая границе Рао-Крамера корреляционная матрица ошибок вычисления координат , где - дисперсия по оси , - корреляционный момент, - дисперсия по оси .

Элементы матрицы точности для УМ вычисляются по формулам :

(1)

где , - координаты пеленгаторов, - общее количество позиций пеленгаторов, - евклидово расстояние между точками и на плоскости, - среднеквадратичная ошибка (СКО) оценивания пеленга, радиан.

Для РДМ местоопределения элементы матрицы точности вычисляются через матричное произведение .

Изобретение относится к области систем управления и может быть использовано для быстрой оценки и минимизации информации о географическом районе размещения мобильных малогабаритных радиоприемных комплексов. Достигаемый технический результат - снижение времени на определение районов размещения на местности для разнотипных технических средств радиоприемного комплекса. Способ оценки местности для размещения радиоприемных средств включает введение начальных условий и данных по заданному географическому району, загрузку цифровой карты местности (ЦКМ), первоначальную оценку местности по физико-географическим условиям, зафиксированным на ЦКМ, исключение зон, непригодных для размещения радиоприемных комплексов по возможностям, присущим размещаемым радиоприемным средствам при выполнении задач управления, оптимизацию ЦКМ по частным и обобщенному критериям. 1 ил.

Изобретение относится к области военной техники и может быть реализовано в виде программы для электронных вычислительных машин (ЭВМ) автоматизированной системы управления (АСУ) войсками для оценки местности и быстрой минимизации информации о географической районе размещения мобильных малогабаритных радиоприемных комплексов, в которой должны обеспечиваться наилучшие условия их функционирования и рационального расположения радиоприемных средств на местности.

Современные формы и способы вооруженной борьбы неразрывно связаны с применением информационных технологий, которые сегодня определяют как степень достоверности анализа местности и обстановки, так и скорость принятия качественных решений должностными лицами. Правильная оценка свойств местности и обстановки оказывает существенное влияние на эффективность решения вопросов в военной сфере, связанных с применением радиоприемных комплексов. Временные показатели боевых возможностей войск все больше и больше становятся зависимы от уровня применяемых информационных технологий и качества используемой в них информации . Эти зависимости лежат в основе заявляемого изобретения.

Сущность изобретения заключается в предварительном анализе, изучении и оценке района местности предназначенной для развертывания радиоприемных комплексов методом оптимизации, например методом динамического программирования с использованием аддитивного критерия качества (целевой функции) , при этом в качестве составляющих критерия вводят, например, математические, информационные либо геометрические примитивы характеризующие, например, непригодность зон для размещения радиоприемных комплексов и исключение этих зон из расчета.

На начальном этапе реализации способа оценки местности путем оптимизации минимизируют географическую зону возможного размещения радиоприемных комплексов, с учетом исключения составляющих административного и физического (и другого) характера, формируя возможные районы размещения на цифровой карте местности (ЦКМ). Минимизация приводит к снижению объема информации (без потери качества), что сокращает размер выборки, подлежащей обработке на ЭВМ и, как следствие, снижает требования к аппаратным ресурсам, что позволяет, например, использовать малогабаритные мобильные компьютерные средства.

На следующем этапе проводят структурирование и прогнозную оценку минимизированной рабочей зоны с целью возможного выбора определенного типа радиоприемного комплекса, которое может быть наиболее эффективно размещено и применено в данной географической зоне для выполнения специальных задач, для чего вводят оперативно-тактические условия функционирования и параметры, ограничивающие применение и размещение выбранных радиоприемных средств на данном районе. Далее для выбранного радиоприемного комплекса определяются дополнительные новые критерии целевой функции, которые, например, позволяют оценить электромагнитную доступность (ЭМД) источников радиоизлучений (ИРИ) выбранного радиоприемного комплекса для выполнения задач мониторинга в заданной на ЦКМ географической зоне.

Итогом прогноза будут являться информационно-структурированные прогнозные географические зоны на ЦКМ с учетом тактических свойств местности и возможностей радиоприемных комплексов по ЭМД ИРИ.

В качестве инструментария для реализации способа оценки местности выбирают, например, специализированный программно-аппаратный комплекс средств вычислительной техники и комплекс «Географические информационные системы» (ГИС) с ЦКМ (например, «Панорама», «Интеграция», «Карта 2011» и др.) .

Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении общего объема выборки географической информации за счет фильтрации и оптимизации исходных данных, связанных с характеристикой района размещения радиоприемных средств до начала процесса их применения, что позволяет изучить районы функционирования технических средств и проложить маршруты выдвижения к ним, использовать мобильные аппаратные средства ЭВМ, а также предварительно оценить возможности радиоприемных средств по электромагнитной доступности контролируемых источников радиоизлучений в этих районах, которые в силу своих тактико-технических характеристик могут (или не могут, или могут со снижением тактико-технических показателей) функционировать в минимизированных прогнозных географических зонах (для решения задачи мониторинга).

Достигаемым техническим результатом изобретения является снижение времени расчета, затрачиваемое на определение районов размещения разнотипных технических средств должностными лицами, принимающими решения, путем снижения субъективных факторов и ошибок, за счет уменьшения объема анализируемых данных в условиях априорной неопределенности на основе использования информационных технологий, что позволяет экономить аппаратные ресурсы средств вычислительной техники и использовать малогабаритные, объектно-ориентированные, сетевые мобильные комплексы.

Известные способы оценки местности основаны на анализе априорной и апостериорной информации хранящейся в базах и банках данных о свойствах местности по ЦКМ и информации с использованием ГИС и других источников.

Например, при оценке местности в различных условиях используют данные, получаемые с топографических карт и аэрофотоснимков. [Николаев А.С. и др. Военная топография. / М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1997; Говорухин A.M. и др. Справочник по военной топографии. - М.: Воениздат, 1980, стр. 111, 3, лист 12-2,4; Ю.Г. Маслак и др. Военная топография в служебно-боевой деятельности оперативных подразделений. - М.: Академический Проект, 2005 г.]. Данная технология, основанная на использовании бумажных карт, является классической и общепризнанной, имеющей большое значение, но недостатком известного способа является практическая неориентированность на использование современных геоинформационных технологий, в частности, глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) и географической информационной системы. Данный способ для решения задачи быстрого выбора подходящей географической зоны для размещения радиоприемных комплексов неприменим, так как требует значительного объема топографической информации (оцифровка, сканирование, создание базы банков данных и т.д.) .

Известен способ оценки местности предложенный П.А. Иваньковым, Г.В. Захаровым. [Местность и ее влияние на боевые действия войск - Издательство: Министерства обороны СССР, 1969]. Данная методика не предусматривает использование современных информационных технологий, инструментария ГИС и ЦКМ и ориентирована на высокую степень субъективизма при принятии решения должностными лицами.

Известен способ прокладки маршрута для разнотипных транспортных комплексов с различной проходимостью участков с использованием геоинформационных технологий и ЦКМ (патент RU №2045773, МПК G06F 17/16 от 19.10.1995 г.), где в качестве основного критерия выбора оптимального маршрута является экономия горючесмазочных материалов. Преимуществом известного изобретения является его ориентация на современные геоинформационные технологии, однако указанным способом решают другие задачи и используют другие критерии оптимизации, поэтому полным прототипом предлагаемого авторами способа оно являться не может, но отдельные элементы известного изобретения, такие как применения ГИС и ЦКМ, заимствованы в предлагаемом изобретении.

Известен способ, в котором предложена оптимизация координат расположения станций, за счет чего обеспечивается максимально эффективное покрытие, т.е. минимальное количество зон с неустойчивым покрытием (патент RU №2460243, МПК H04W 16/18 от 17.02.2011 г.). В данном способе используют современные информационные технологии на основе ЦКМ по критерию минимально допустимого уровня сигнала. Недостатком известного способа является оценивание географического района непосредственно в процессе оптимизации зоны размещения, что приводит к необходимости обработки информации больших объемов.

Известен способ прокладывания оптимального движения мобильных объектов по пересеченной местности [Дорогое А.Ю., Лесных В.Ю., Раков В.И., Титов Г.С. Алгоритмы оптимального движения мобильных объектов по пересеченной местности и транспортной сети. - Санкт-петербургский государственный электротехнический университет, 2006 г.], включающий этапы определения исходного элемента для оптимизации загрузки электронной карты местности, определения точки старта и финиша, нахождение оптимальных маршрутов. Данный способ не позволяет произвести предварительную фильтрацию по определенным признакам данных до процесса оптимизации и, тем самым, сократить размер выборки, подлежащей обработке, на ЭВМ, что требует применения мощных ресурсоемких вычислительных систем и приводит к увеличению времени обработки информации.

Констатируется, что наиболее близким по своей сущности к заявляемому изобретению является способ прокладывания маршрута передвижения на пересеченной местности (патент RU №2439, МПК G01C 21/34 от 15.07.2010 г.), в котором предложена оценка географических свойств местности по географическому критерию и критерию проходимости без оценки эффективности. Однако в данном прототипе критериями при прокладке маршрута на местности являются экономия расхода горюче-смазочных материалов и возможность преодоления географических зон местности подвижным транспортным средством.

Целью настоящего изобретения является снижение времени на определение районов размещения на местности для разнотипных технических средств радиоприемного комплекса

Решение этой цели реализовано в виде методики, представленной блок-схемой алгоритма на фиг. 1.

На этапе 1 (фиг. 1) вводятся оперативно-тактические данные по заданному географическому району, которые включают исходные данные по площади (сектору, зоне) оцениваемого района, времени суток (ночь, утро, вечер или день для весенне-осеннего или летнего времени), характеристики времени года (зима, весна-осень, лето), возможности прямой видимости и другие, в зависимости от поставленных задач.

На этапе 2 определяется инструментальное средство (комплекс) для реализации способа оценки размещения на местности в условиях заданного географического района с учетом принятых критериев и ограничений с привлечением ГИС, ГЛОНАСС, ЦКМ и других современных технологий.

На этапе 3 производится загрузка цифровой карты местности для географической зоны определенной на этапе 1.

На этапе 4 задаются условия и определяют критерии для минимизации географического района определенного на этапе 1 с целью исключения из этого района зон непригодных для размещения радиоприемных комплексов, например, по административным, географическим или физическим (или другим) параметрам (признакам).

На этапе 5 для организации условного цикла при многократном расчете географических зон по различным частным критериям производится установка счетчика номера текущего частного критерия для расчета и оценки свойств географической зоны.

На этапе 6 определяется (или рассчитывается) очередной частный критерий, используемый в данном цикле расчета для оптимизации географической зоны.

На этапе 7 при необходимости и при возможности по результатам предыдущего расчета в цикле (если он был) уточняется географическая зона на ЦКМ. Далее после анализа этой зоны выбирается шаг сканирования географической зоны, т.е. сетка, в узлах которой будут рассчитываться информативные признаки местности по текущему критерию и накладываться на ЦКМ. Следует помнить, что большой шаг сканирования ускоряет решение задачи, но отрицательно влияет на точность результатов и наоборот.

На этапе 8 рассчитываются информативные признаки в узловых точках сканирования ЦКМ, и формируется информационный массив результатов сканирования географической зоны по текущему частному критерию.

Если на этапе 9 качество расчета и результаты удовлетворяют условиям постановки задачи, то на этапе 11 производится вывод и визуализация информационного массива с привязкой к ЦКМ. На основе этих данных осуществляется анализ результатов и принимается решение. Если результаты расчета не удовлетворительны, то на этапе 10 производится модификация алгоритма сканирования и выбирается другой шаг сканирования для повторного расчета.

На этапе 12 проверяется условие окончания цикла, организованного на этапе 5, для чего оценивается номер частного критерия, и, если он последний, то переходят к этапу 14, где производится расчет обобщенного географического критерия для оптимизированной географической зоны на ЦКМ для района определенного на этапе 1 и минимизированного на этапе 4, при этом определяются информативные признаки в узловых точках сканирования ЦКМ с учетом обобщенного критерия, который является аддитивным и определяется как сумма частных критериев. Если номер частного критерия не последний, то на этапе 13 производится модификация номера частного критерия и выбирается другой для следующего расчета.

На этапе 15 осуществляется вывод и визуализация информационного массива по обобщенному географическому критерию для анализа результатов и принятия необходимых решений.

Далее после минимизации и оптимизации географических зон на ЦКМ по географическим критериям определяют номенклатуру (перечень) радиоприемных комплексов, которые могут быть использованы в данной географической зоне для выполнения поставленных задач с последующей оценкой их эффективности.

Для этого на этапе 16 вводятся тактико-технические ограничения и начальные условия по возможному применению радиоприемных комплексов в заданной географической зоне для решения специальных задач. Они включают в себя факторы, которые зависят от условий применения средств, а также основные требования, предъявляемые к размещению.

На этапе 17 вводится номенклатура возможных типов и количество предполагаемых к применению радиоприемных комплексов с целью решения задачи их размещения в заданной минимизированной географической зоне.

На этапе 18 для организации условного цикла при многократном расчете эффективности применения всей номенклатуры определенных радиоприемных комплексов по соответствующим тактико-техническими данными (критериям), производится установка счетчика номера применяемого радиоприемного комплекса.

На этапе 19 определяется очередной радиоприемный комплекс, используемый в данном цикле расчета, и вводятся (или рассчитываются) его тактико-технические данные.

На этапе 20 оценивается возможность размещения и проверяется эффективность возможного применения текущего радиоприемного комплекса в заданной географической зоне.

На этапе 21 проверяется условие окончания цикла, организованного на этапе 18, для чего оценивается номер текущего радиоприемного комплекса из рассматриваемой номенклатуры, если он последний, то переходят к этапу 23, где производится формирование информации о целесообразности, возможности и эффективности специального применения, определенного на этапе 17 радиоприемного комплекса для минимизированного географического района. Если номер радиоприемного комплекса не последний, то на этапе 22 производится модификация номера радиоприемного комплекса для выполнения следующего расчета.

На этапе 24 осуществляется вывод, визуализация и анализ результатов для принятия решения о размещении радиоприемных комплексов и соблюдения условий их применения. При этом производится структурирование географической района на зоны возможного применения конкретных радиоприемных комплексов из рассматриваемой номенклатуры для решения поставленных задач.

Предлагаемая методика вписывается в современную концепцию управления войсками следующим образом. Существует большая трудоемкость решения задач управления в условиях крайнего дефицита времени, отводимого на планирование операций (боевых действий) при дефиците численности личного состава органов управления, резко обостряет глобальную проблему полноты и своевременности обработки информации. С целью перехода на новый качественный уровень необходимо совместное использование современного инструментария (ГИС, ГЛОНАСС, ЦКМ и других) в автоматизированных системах военного назначения. Значительное количество боевых и нормативно-технических документов соответствует концепции ведения боевых действий 70-х - 80-х годов. При этом большинство задач управления войсками требуют для своего решения информацию о местности, подготовка и обработка которой в настоящее время в большей степени выполняется традиционным способом, т.е. вручную. Автоматизация процессов управления за счет новых информационных технологий и их использование на системном уровне войсками требует разработки и применения специальных технологий оценки обстановки в районах особого предназначения на подготовительном этапе, т.е. в мирное время. Поэтому необходимость решения задачи предварительной оценки географического района для размещения радиоприемных комплексов с учетом тактических свойств местности существует, так как является одной из важнейших при организации специальных операций и будет основным ограничением для выполнения непосредственной задачи оптимизации размещения радиоприемных комплексов в заданном районе . В данном способе учитывается:

Концепция интегрирования геоинформационных систем и новых информационных технологий;

Оперативно-тактические условия функционирования и тактико-технические характеристики радиоприемных комплексов, предназначенного для размещения в данном районе;

Тактические свойства местности в сочетании с сезонными климатическими условиями;

Экономия аппаратных ресурсов для значительного объема входной информации при использовании малогабаритных, объектно-ориентированных мобильных компьютерных средств.

Таким образом, предлагаемый способ оценки местности заключается в выполнении новых операций и новой последовательности их выполнения и обладает рядом существенных преимуществ, которые позволяют минимизировать и структурировать предполагаемый район размещения радиоприемных комплексов, сократить время принятия решения на развертывание средств в позиционных районах, обеспечить высокую степень использования информационных технологий, понизить субъективный фактор принятия решения должностными лицами, повысить эффективность применения радиоприемных комплексов, а использование геоинформационной системы позволяет достоверно, с точностью и полнотой, отображать современное состояние местности, ее типичные черты и характерные особенности в настоящее время.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что введенные операции частично известны. Однако введение их в способ оценки района размещения радиоприемных комплексов с учетом тактических свойств местности с использованием ЦКМ и специализированого программно-аппаратного комплекса «Геоинформационные системы» в указанной последовательности придает этому способу новые свойства.

Таким образом, техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в автоматизированной системе управления войсками при управлении частями и подразделениями при решении оптимизационных задач, для которых на предварительном этапе требуется минимизация исходной информации.

Источники информации

1. Бэлман Р. Динамическое программирование. - Издательство иностранной литературы. - 1960, 400 с.

2. Гитис В. Основы пространственно- временного прогнозирования в геоинформатике. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 256 с.

3. «Обзор отечественных ГИС военного назначения, февраль 2014», [Электронный ресурс] - Режим доступа: - www.gistechnik.ru

4. Брайсон А. Прикладная теория оптимального управления: Оптимизация, оценка и управление. - М.: Мир. - 1972. - 544 с.

5. Рейклейтис Г. Оптимизация в технике. - М.: Мир. - 1986 - 347 с.

6. Тикунов В. Моделирование в картографии. - Издательство МГУ. - 1997 - 400 с.

Способ оценки местности для размещения радиоприемных средств, включающий введение начальных условий и данных по заданному географическому району, загрузку цифровой карты местности (ЦКМ), проведение расчета географических зон по различным частным критериям, формирование информации о зонах возможного размещения радиоприемных средств по их тактико-техническим характеристикам, уточнение географической зоны на ЦКМ, отличающийся тем, что первоначальную оценку местности проводят по физико-географическим условиям, зафиксированным на ЦКМ, осуществляют исключение зон, непригодных для размещения радиоприемных комплексов по эксплуатационно-техническим возможностям, присущим размещаемым радиоприемным средствам при выполнении задач управления, проводят оптимизацию ЦКМ с помощью методов динамического программирования по частным и обобщенному критериям района возможного размещения радиоприемных комплексов на местности с последующей оценкой возможности радиоприемных комплексов, размещаемых в данной географической зоне.

Похожие патенты:

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является повышение эффективности обработки сигналов при разнесенном приеме и мультиплексирование управляющих сигналов на множество уровней MIMO на основании типа, требований и характера управляющей информации.

Настоящее изобретение относится к области транспортной связи. Технический результат - упрощение инфраструктуры, архитектуры и коммуникационных связей транспортной коммуникационной системы с возможностью выбора режима работы дорожных приемо-передающих устройств.

Изобретение относится к беспроводной связи. Техническим результатом является использование улучшенных технологий для администрирования передачей информации в канале управления восходящего канала передачи данных в системах, в которых используется объединение несущих и/или TDD.

Изобретение относится к беспроводной связи. Технический результат заключается в улучшении использования кандидатов в EPDCCH.

Изобретение относится к технологиям связи, в частности к способу, устройству и системе для обработки данных в ходе прослушивания в состоянии бездействия. Способ включает в себя дискретизацию, в режиме прослушивания в состоянии бездействия, первого аналогового сигнала посредством использования N-битового ADC и дискретизацию, в режиме приемо-передачи, второго аналогового сигнала посредством использования M-битового ADC, где N и M являются целыми числами, и N меньше M.

Предложена группа изобретений в отношении способа оптимального размещения горизонтальных скважин и программного носителя информации, способствующих максимальному покрытию горизонтальными скважинами предварительно заданной области с нерегулярными границами.

Способ проектирования многорежимной интеллектуальной системы управления распределенной средой мягких вычислений

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам передачи партографической информации и ее анализа. Система содержит клиентское устройство, выполненное с возможностью принимать партографическую информацию пациента в качестве входных данных, причем партографическая информация передается на сервер обработки партографической информации через коммуникационную сеть.

Изобретение относится к компьютерным системам предоставления информации. Техническим результатом является сокращение выборки определенных слов из больших массивов данных, что обеспечивает пользователю возможность ускоренной навигации по определениям слова.

Группа изобретений относится к позиционированию площадок - платформ под буровую установку для разработки месторождения горизонтальными скважинами с учетом предопределенных границ и наземных и/или подземных препятствий. Технический результат - повышение степени оптимизации позиционирования упомянутых площадок - объектов. По способу осуществляют следующее: а) определяют максимальное количество рядов объектов на основании интервала между рядами и максимального расстояния между ними; б) определяют максимальное количество столбцов на основании интервала между столбцами и максимального расстояния между объектами; с) определяют местоположение исходной точки - объекта в пределах заранее заданной границы в начальной позиции каждого ряда и в начальной позиции каждого столбца, при этом местоположение каждой исходной точки присваивают группе местоположений исходной точки; d) вычисляют суммарное значение для группы местоположений исходной точки - объекта с использованием компьютерного процессора; е) корректируют начальную позицию в каждом ряду на величину приращения для ряда и начальной позиции в каждом столбце на величину приращения для столбца. Повторяют шаги с)-е) для заранее заданного количества начальных позиций в каждом ряду и заранее заданного количества начальных позиций в каждом столбце и позиционируют площадки под буровую установку в каждом местоположении на основании местоположения соответствующей исходной точки в группе местоположений исходной точки, имеющей наилучшее суммарное значение. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области систем управления и может быть использовано для быстрой оценки и минимизации информации о географическом районе размещения мобильных малогабаритных радиоприемных комплексов. Достигаемый технический результат - снижение времени на определение районов размещения на местности для разнотипных технических средств радиоприемного комплекса. Способ оценки местности для размещения радиоприемных средств включает введение начальных условий и данных по заданному географическому району, загрузку цифровой карты местности, первоначальную оценку местности по физико-географическим условиям, зафиксированным на ЦКМ, исключение зон, непригодных для размещения радиоприемных комплексов по возможностям, присущим размещаемым радиоприемным средствам при выполнении задач управления, оптимизацию ЦКМ по частным и обобщенному критериям. 1 ил.

В общем случае мгновенное положение объекта в пространстве определяется тремя координатами в той или иной системе координат. Для характеристики движения объекта необходимы также производные координат , число которых зависит от сложности траектории движения объекта. На практике чаще всего используют производные не выше второго порядка, т. е. скорость объекта и ускорение . При этом обычно имеют в виду координаты и их производные для центра тяжести объекта. Часто измеряют лишь координаты, а их производные получают путем дифференцирования. Возможно также непосредственно оценить составляющую относительной скорости объекта, перпендикулярную фронту приходящей к антенне электромагнитной волны, путем измерения доплеровского смещения частоты. Интегрированием скорости объекта можно получить соответствующую координату, а ее дифференцированием - ускорение.

При активной радиолокации с учетом двустороннего распространения сигнала (от РЛС до цели и обратно) частота отраженного сигнала вследствие эффекта Доплера отличается от частоты излучаемого на значение с , пропорциональное радиальной составляющей относительной скорости , которая может быть вычислена по формуле

если известна длина волны излучаемого сигнала и измерено значение доплеровского смещения частоты . Следует заметить, что формула (7.2) точна лишь при значениях скорости , много меньших скорости распространения радиоволн , когда можно не учитывать релятивистский эффект.

При радиолокационном определении координат в основу положено свойство радиоволн распространяться в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Скорость распространения радиоволн зависит от электромагнитных свойств среды и составляет в свободном пространстве (вакууме) . Там, где это не вызывает существенных погрешностей, обычно берут приближенное значение скорости . Постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволны позволяют рассчитать дальность D от РЛС до объекта путем измерения времени прохождения сигнала от РЛС до объекта и обратно:

Свойство прямолинейности распространения радиоволн является основой радиотехнических методов измерения угловых координат по направлению прихода сигнала от объекта. При этом используются направленные свойства антенны.

Радиотехнические методы позволяют также непосредственно найти разность дальностей от объекта до двух разнесенных передатчиков путем измерения разности времени приема их радиосигналов на объекте, определяющем свое местоположение.

В радионавигации при нахождении местоположения объекта вводят понятия радионавигационного параметра, поверхностей и линий положения.

Радионавигационным параметром (РНП) называют физическую величину, непосредственно измеряемую РНС (расстояние, разность или сумма расстояний, угол).

Поверхностью положения считают геометрическое место точек в пространстве, имеющих одно и то же значение РНП.

Линия положения есть линия пересечения двух поверхностей положения. Местоположение объекта задается пересечением трех поверхностей положения или поверхности и линии положения.

В соответствии с видом непосредственно измеряемых координат различают три основных метода определения местоположения объекта: угломерный, дальномерный и разностно-дальномерный. Широко применяют также комбинированный угломерно-дальномерный метод.

Угломерный метод. Этот метод является самым старым, поскольку возможность определения направления прихода радиоволн была установлена А. С. Поповым еще в 1897 г. при проведении опытов по радиосвязи на Балтийском море.

При этом используются направленные свойства антенны при передаче или приеме радиосигнала. Существует два варианта построения угломерных систем: радиопеленгаторный и радиомаячный. В радиопеленгаторной системе направленной является антенна приемника (радиопеленгатора), а передатчик (радиомаяк) имеет ненаправленную антенну. При расположении радиопеленгатора (РП) и радиомаяка (РМ) в одной плоскости, например на поверхности Земли, направление на маяк характеризуется пеленгом а (рис. 7.1, а). Если пеленг отсчитывают от географического меридиана (направление север-юг), то его называют истинным пеленгом или азимутом. Часто азимутом считают угол в горизонтальной плоскости, отсчитанный от любого направления, принятого за нулевое. Определение направления производят в месте расположения приемника, который может быть как на Земле, так и на объекте. В первом случае пеленгование объекта осуществляют с Земли и при необходимости измеренное значение пеленга передают на объект (борт) по каналу связи. При расположении радиопеленгатора на объекте пеленг на радиомаяк измеряют непосредственно на борту.

В радиомаячной системе (рис. 7.1,б) используют радиомаяк с направленной антенной и ненаправленный приемник. В этом случае в месте расположения приемника измеряют обратный пеленг относительно пулевого направления, проходящего через точку, в которой расположен радиомаяк. Часто применяют маяк с вращающейся ДНА. В момент совпадения оси ДНА с нулевым направлением (например, северным) вторая, ненаправленная, антенна РМ излучает специальный нулевой (северный) сигнал, который принимается приемником системы и является началом отсчета углов. Фиксируя момент совпадения оси вращающейся ДНА маяка с направлением на приемник (например, по максимуму сигнала), можно найти обратный пеленг , который при равномерном вращении ДНА маяка пропорционален промежутку времени между приемом нулевого сигнала и сигнала в момент пеленга.

В этом случае приемник упрощается, что важно при его расположении на борту. Поверхностью положения угломерной РНС является вертикальная плоскость, проходящая через линию пеленга.

При использовании наземных РП и РМ линией положения будет ортодромия - дуга большого круга, проходящего через пункты расположения РП и РМ. Она является линией пересечения поверхности положения с поверхностью Земли. Истинный пеленг (ИП) - угол между меридианом и ортодромией. При расстояниях, малых по сравнению с радиусом Земли, ортодромия аппроксимируется отрезком прямой линии. Для определения местоположения РП (рис. 7.1, в) необходим второй РМ. По двум пеленгам и можно найти местоположение РП как точку пересечения двух линий положения (двух ортодромий на земной поверхности). Если система расположена в пространстве, то для определения местоположения РП необходим третий радиомаяк. Каждая пара (РП - РМ) позволяет найти лишь поверхность положения, которая будет в данном случае плоскостью. При определении местоположения приемника предполагают, что координаты РМ известны.

В морской и воздушной навигации вводят понятие курса - утла между продольной осью корабля (проекцией продольной оси самолета на поверхность Земли) и направлением начала отсчета углов, в качестве которого выбирают географический или магнитный меридиан, а также линию ортодромии. Соответственно такому выбору различают истинный, магнитный и ортодромический курсы. Для летательного аппарата (ЛA) в качестве третьей координаты при нахождении местоположения используют высоту полета -абсолютную (отсчитываемую от уровня Балтийского моря), барометрическую (отсчитываемую по барометрическому высотомеру относительно уровня, принятого за нулевой) и истинную (кратчайшее расстояние по вертикали до поверхности под , измеряемое радиовысотомером). При применении радиовысотомера местоположение ЛA определяется уже комбинацией угломерного и дальномерного методов измерения координат.

Дальномерный метод. Этот метод основан на измерении расстояния D между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками.

В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчика ответчика (рис. 7.2, а) при приеме запросного сигнала. Если время распространения сигналов запроса и ответа одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность . В качестве ответного может быть использован также и отраженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы является поверхность шара радиусом D. Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми. При этом местоположение объекта определяется как точка пересечения двух линий положения. Так как окружности пересекаются в двух точках (рис. 7.2,б) то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнительные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти координаты с высокой точностью. Радиодальномерные методы начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых измерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Разностно-дальномерный метод. С помощью приемоиндикатора, расположенного на борту объекта, определяют разность времени приема сигналов от передатчиков двух опорных станций: . Станцию А называют ведущей, так как с помощью ее сигналов осуществляется синхронизация работы ведомой станции В. Измерение разности расстояний, пропорциональной временному сдвигу сигналов от станции А и В, позволяет найти лишь поверхность положения, соответствующую этой разности и имеющую форму гиперболоида. Если приемоиндикатор и станции А и В расположены на поверхности Земли, то измерение позволяет получить линию положения на земной поверхности в виде гиперболы с .

Для двух станций можно построить семейство гипербол с фокусами в точках расположения станций А и В. Расстояние между станциями называют базой. Для заданной базы семейство гипербол наносят на карту заранееи оцифровывают. Однако одна пара станций позволяет определить лишь линию положения, на которой расположен объект. Для нахождения его местоположения необходима вторая пара станций (рис. 7.3), база которой должна быть расположена под углом к базе первой пары. Обычно ведущая станция А является общей и синхронизирует работу обеих ведомых станций и . Сетка линий положения такой системы образуется двумя семействами пересекающихся гипербол, позволяющих найти местоположение приемоиндикатора (ПИ), расположенного на борту объекта.

Точность разностно-дальномерной системы выше точности угломерной и приближается к точности дальномер-ной. Но основным ее преимуществом является неограниченная пропускная способность, так как наземные станции могут обслуживать неограниченное число ПИ, находящихся в пределах дальности действия системы, поскольку на борту определяющегося объекта нет необходимости иметь передатчик, как в дальномерной системе. Следует заметить, что асимптотами гипербол являются прямые линии, проходящие через центр базы каждой пары станций системы Таким образом, на расстояниях, в несколько раз превышающих длину базы, линии положения вырождаются в прямые, в результате чего разностно-дальномерная система может быть использована как угломерная.

В зависимости от видов сигналов наземных станций и метода измерения временного сдвига сигналов принимаемых ПИ различают импульсные, фазовые и импульсно-фазовые разностно-дальномерные РНС.

Принцип импульсной разностно-дальномерной системы был предложен советским инженером Э. М. Рубчинским в 1938 , но широкое распространение такие системы получили лишь к концу второй мировой войны, когда были разработаны методы точного измерения временного положения импульсов. Первая фазовая разностно-дальномерная система (фазовый зонд) была создана в СССР в 1938 г. В дальнейшем этот принцип был использован в системах «Декка», «Координатор» и др.

Комбинированный угломерно-дальномерный метод. Этот метод позволяет найти местоположение объекта из одной точки. Комбинированный метод обычно применяют в РЛС, которые измеряют наклонную дальность D, азимут и угол места Р (рис. 7.4). Углом места называют угол между направлением на объект и горизонтальной плоскостью (поверхностью Земли). Азимут отсчитывают от направления север - юг или другого направления, принятого за начальное. Путем пересчета основных координат можно найти также высоту , горизонтальную дальность и ее проекции на направление север - юг и запад - восток.

Определение местоположения объекта из одной точки и с помощью одной станции является большим преимуществом комбинированного метода, который широко используется также в радиосистемах ближней навигации.

Рассмотренные методы определения местоположения объекта относительно точек с известными координатами (радионавигационные точки РНТ) с помощью поверхностей и линий положения называют позиционными.

Кроме позиционных методов в навигации применяют методы счисления пути интегрированием измеренных скорости (доплеровским или воздушным измерителем) или ускорения (акселерометром), а также обзорно-сравнительные методы, основанные на сравнении телевизионных, радиолокационных и других изображений местности с соответствующими картами.

Используют и корреляционно-экстремальные методы навигации, основанные на определении структуры какого-либо физического поля,характерного для данной местности (например, рельефа), и сравнении параметров этого поля с соответствующими параметрами, хранящимися в запоминающем устройстве РНС. Преимуществами этих методов являются автономность, малое влияние помех и отсутствие накапливающихся погрешностей при определении местоположения объекта.

Дальномерный способ определения местоположения и составляющих вектора скорости объектов по радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем может быть использован в космической радионавигации и геодезии. Согласно способу принимают N-канальным приемным устройством, установленным на объекте, навигационные радиосигналы спутников, определяют дальности от объектов до каждого спутника путем измерения временных сдвигов кодовых последовательностей, формируемых генераторами спутников относительно кодовой последовательности, формируемой генераторами объекта, а также составляющих вектора скорости путем измерения принимаемых доплеровских сдвигов частоты с использованием систем слежения за несущими. При этом в N-канальном приемном устройстве, один из которых является ведущим, а другие - ведомыми каналами, производят определение разности дальностей между дальностями, измеренными ведомыми приемными устройствами и дальностью, измеренной ведущим приемным устройством, а также определение разностей скоростей изменения дальностей между скоростями изменения дальностей, вычисленными по измерениям доплеровских сдвигов частоты ведомыми приемными устройствами и скоростью изменения дальности, вычисленной по измерению доплеровского сдвига частоты ведущим приемным устройством, затем производят определение двойных разностей дальностей и двойных разностей скоростей изменения дальностей путем взаимного вычитания друг из друга разностей дальностей и разностей скоростей изменения дальностей. Технический результат заключается в повышении точности определения координат местоположения, составляющих вектора скорости определяющегося объекта по навигационным сигналам КА СРНС; и с использованием радиосигналов наземных воздушных источников радиоизлучений, а также с использованием радиоизлучений КА других систем и имитаторов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области космической радионавигации, геодезии и может быть использовано для определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов. Известен доплеровский разностно-дальномерный способ определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов по навигационным радиосигналам космических аппаратов (КА) спутниковых радионавигационных систем (СРНС), основанный на измерениях разностей топоцентрических расстояний между объектом и двумя положениями одного и того же навигационного КА (НКА) в последовательные моменты времени (П.С. Волосов, Ю.С. Дубенко и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. Л.: Судостроение, 1976). Практической реализацией известного способа являются российская СРНС "Цикада" и американская СРНС "Транзит" - навигационные системы первого поколения. В нем интегрирование доплеровского смещения частоты принятых за интервал времени T от навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ) радиосигналов позволяет определить число длин волн, укладывающихся в разность расстояний от фазового центра антенны приемного устройства объекта до двух положений НИСЗ (двух положений фазового центра антенны НИСЗ): где t 1 и t 2 - время передачи временных меток НИСЗ; R 1 (t 1) и R 2 (t 2) - расстояния между фазовыми центрами антенн объекта и НИСЗ; c - скорость света; f п - частота принимаемого сигнала; f о - частота опорного сигнала, f п = f и f и +f ио +f тр +f гр +f др, где
f и - частота сигнала, излучаемого НИСЗ;
f и - нестабильность частоты излучаемого сигнала;
f ио,f тр - неизвестные сдвиги частоты, обусловленные распространением сигналов в ионосфере, тропосфере;
f гр - неизвестный сдвиг частоты, обусловленный гравитационными силами;
f др - неизвестные сдвиги частоты, обусловленные другими факторами,
f o = f и f+f o ,
где
f o - известный постоянный сдвиг частоты (частотная подставка);
f - нестабильность частоты опорного сигнала. С учетом изложенного выражение примет вид

Из выражения видно, что интегральный доплеровский сдвиг частоты определяется двумя слагаемыми. Первое слагаемое - погрешности измерений, обусловленные условиями распространения радиоволн, гравитационным полем Земли, нестабильностью частоты излучения опорного генератора и другими факторами. Они войдут в навигационное уравнение как неизвестные. Второе слагаемое является прямым измерением изменения наклонной дальности в длинах волн опорной частоты определяющегося объекта. Ошибка сложения системы слежения за несущей (ССР), которая отсутствует в рассмотренном навигационном уравнении, также входит в ошибку измерения радионавигационного параметра (РНП). Отслеживаемая функция времени - несущая частоты имеет ненулевые производные высокого порядка. Следовательно, помимо случайных ошибок (шумовых) реальный следящий контур с астатизмом конечного порядка будет иметь динамические ошибки, обусловленные наличием производных входного воздействия более высокого порядка, чем порядок астатизма системы. Уменьшение случайной ошибки системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ССН требует применения более инерционного контура обратной связи (сужение полосы пропускания фильтра низкой частоты), но при этом возрастают динамические ошибки ССР и наоборот. Выражая дальности через координаты прямоугольной геоцентрической системы координат, навигационное уравнение примет вид
,
где
x 1 , y 1 , z 1 , x 2 , y 2 , z 2 - координаты фазового центра антенны спутника в моменты времени t 2 и t 1 соответственно;
x 0 , y 0 , z 0 -неизвестные координаты фазового центра антенны определяющегося объекта. Как видно, три измерения разностей дальностей в четырех последовательных положениях спутника на орбите позволяют определить координаты объекта x 0 , y 0 , z 0 . В процессе измерений необходимо ждать, пока дальность до НИСЗ изменится на достаточную величину. Разностно-дальномерный способ проявляет свои достоинства на таких расстояниях (базах) между положениями НИСЗ на орбите, когда они соизмеримы с расстояниями между НКА и определяющимся объектом. В соответствии с изложенным недостатками известного способа являются
ошибки, обусловленные ССР;
ошибки за счет нестабильности частоты излучения НКА и опорного генератора;
систематические и случайные ошибки;
низкая точность определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов при использовании НИСЗ на средневысоких и высоких орбитах. Известен также дальномерный способ, который принят в качестве прототипа. Практической реализацией этого способа являются СРНС второго поколения - российская Global Orbiting Navigation Sattellite System (ГЛОНАСС) и американская Global Positioning System (GPS). Геометрическим эквивалентом конечного алгоритма этого способа решения навигационной задачи является построение относительно используемых навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) совокупности поверхностей положения, точка пересечения которых и является искомым положением объекта (Бортовые устройства спутниковой радионавигации. /Под ред. В.С. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988). Для решения навигационной задачи минимально необходимый объем функциональных зависимостей должен быть равен числу оцениваемых параметров. Определение координат местоположения объекта сводится к решению системы уравнений

где
R 1 , . . . , R 4 - результаты измерений наклонных дальностей, полученные с помощью следящей системы за задержкой (ССЗ);
x, y, z - координаты объекта в геометрической прямоугольной системе координат;
x 1 , y 1 , z 1 .... x 4 , y 4 , z 4 - координаты четырех путников, передаваемые в навигационном сообщении;
R т - разница между истинной дальностью объекта-спутника и измеренной, обусловленной сдвигом шкалы времени объекта относительно шкалы времени НИСЗ;
R 1 ,...,R 4 - погрешности измерений, обусловленные атмосферой, ионосферой, другими факторами. Для определения координат местоположения объекта необходимо, чтобы в поле зрения объекта находились одновременно четыре спутника. В результате решения этой системы уравнений определяются четыре известные: три координаты местоположения объекта (x, y, z) и поправка R т к его шкале времени (поправка к часам). Аналогичным образом, с использованием результатов измерений с помощью ССН, определяются три составляющие вектора скорости и поправки к частоте эталона частоты объекта, используемого для формирования шкалы времени:
,
где
- скорости изменения дальностей (радиальные скорости), измеренные с помощью ССН;
- составляющие вектора скорости объекта;
- составляющие вектора скорости четырех спутников;
- разница между истинной скоростью и измеренной, обусловленная расхождением частот эталонов частоты НИСЗ и объекта;
- погрешности измерений, обусловленные условиями распространения радиоволн и другими факторами. Измерение дальности в аппаратуре объекта осуществляется путем измерения временного интервала между временными отметками принимаемого от спутника кода и местного кода объекта. Эффективность данного метода определяется в основном шумовой погрешностью измерения РНП, поскольку именно шумовая погрешность ограничивает эффект компенсации сильнокоррелированных погрешностей. Для оценки шумовой погрешности используется (Бортовые устройства спутниковой радионавигации. /Под ред. В.С. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988) выражение

где
2 ш - дисперсия шума измерения;
- длительность элемента дальномерного кода;
c/N 0 - отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе приемника;
B ССЗ - односторонняя ширина полосы ССЗ;
B ПЧ - односторонняя ширина полосы УПЧ дискриминатора;
K 1 , K 2 - постоянные параметры, зависящие от выбранного технического решения. Измерение доплеровского сдвига частоты основано на измерении приращения дальности на частоте несущей с использованием ССН. Оценка точности измерения приращения дальности определяется выражением для дисперсии фазы 2 ф схемы слежения за несущей, имеющим вид

где
- длина волны несущей;
B ССН - ширина полосы схемы слежения за несущей. Шумовая погрешность измерений приращений дальностей на частоте несущей практически на порядок меньше шумовой погрешности измерений дальностей с использованием дальномерных кодов. Дальномерный способ не позволяет, например, из-за различий в СРНС ГЛОНАСС и GPS совместно их использовать. Таким образом, недостатками известного способа, прототипа, являются
ошибки следящей системы за задержкой от отношения сигнал/шум;
ошибки следящей системы за несущей от отношения сигнал/шум;
ошибки, обусловленные условиями распространения радиоволн в ионосфере, тропосфере и другими факторами;
ошибки, обусловленные сдвигом шкалы времени объекта относительно шкал времени НИСЗ за счет нестабильности частот генераторов спутников и опорного генератора объекта;
невозможность совместного использования источников радиоизлучений систем различного назначения. Для устранения ионосферной задержки в известных способах используется аппаратурная компенсация с помощью двухчастотных измерений и компенсация с помощью поправок, рассчитываемых по априорным данным. Известный способ (прототип) характеризуется следующей совокупностью действий над принимаемыми спутниковыми радионавигационными сигналами:
прием N-канальным приемным устройством двухчастотных радиосигналов N НИСЗ;
определение дальностей от объекта до каждого спутника путем измерения временных сдвигов кодовых последовательностей, формируемых генераторами спутников относительно кодовой последовательности, формируемой генератором объекта;
измерение приращений дальностей путем измерения приращений фаз несущих;
определение координат местоположения объекта;
определение составляющих вектора скорости объекта. Целью изобретения является повышение точности определения координат местоположения, составляющих вектора скорости определяющегося объекта по навигационным радиосигналам КА СРНС и с использованием радиосигналов наземных воздушных источников радиоизлучений, а также с использованием радиоизлучений КА других систем и их имитаторов. Цель достигается тем, что по предлагаемому способу в N-канальном приемном устройстве, один из которых является ведущим, а другие - ведомыми каналами, производят определение разности дальностей между дальностями, измеренными ведомыми приемными устройствами, и дальностью, измеренной ведущим приемным устройством, а также определение разностей скоростей изменения дальностей между скоростями изменения дальностей, вычисленными по измерениям доплеровских сдвигов частоты ведомыми приемными устройствами, и скоростью изменения дальности, вычисленной по измерению доплеровского сдвига частоты ведущим приемным устройством, затем производят определение двойных разностей дальностей и двойных разностей скоростей изменения дальностей путем взаимного вычитания друг из друга разностей дальностей и разностей скоростей изменения дальностей. Дополнительными отличиями предлагаемого способа являются следующие. Ведущим и приемным устройствами определение разностей дальностей производят между объектом и двумя положениями спутников, определяемыми мерным интервалом путем измерения приращений фаз несущих с использованием фазовых автоподстроек частот систем слежения за несущими навигационных радиосигналов спутников. Определение двойных разностей дальностей производят между объектом и двумя положениями спутников, определяемыми мерным интервалом, путем измерения разностей частот Доплера, принятых приемными устройствами с использованием квадратурных фазовых детекторов, умножив их средние значения на мерный интервал. Приемное устройство ведущего канала принимает сигналы имитатора спутниковых сигналов. Выделение сигналов с частотами Доплера производят путем возведения принимаемых сигналов в квадрат с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Геометрическая интерпретация предлагаемого способа поясняется на примере созвездия четырех КА ГЛОНАСС и одного КА GPS, фиг. 1. Принимаемый приемным устройством навигационный радиосигнал КА GPS является ведущим сигналом, а канал приема приемным устройством сигналов КА ГЛОНАСС - ведомым. Соответственно навигационные сигналы КА ГЛОНАСС, приемное устройство КА являются ведомыми. В соответствии с вышеизложенным

где
- разность измеренных дальностей между каждым ведомым КА ГЛОНАСС - пользователь и между ведущим КА GPS - пользователь с использованием дальномерных кодов;
- двойные разности дальностей. Геометрическая интерпретация определения координат и составляющих вектора скорости по разностям приращений дальностей и двойных разностям приращений, измеренных с использованием приращений фаз несущих, поясняется на примере двух КА: ведущего КА и одного ведомого КА ГЛОНАСС, фиг. 2. Точками t 1 , t * , t 2 обозначены положения НИСЗ на орбите, являющиеся границами отсчетов навигационного параметра (мерный интервал). Разности приращений дальностей запишутся следующим образом соответственно:

Двойные разности приращений дальностей примут вид

Разности дальностей в квадратных скобках системы уравнений (1) проявляют свои достоинства, как это было показано выше на таких расстояниях (базах) между положениями НИСЗ на орбите, когда они соизмеримы с расстоянием между НКА и определяющимся объектом. В нашем примере базы незначительны. Для выполнения этого условия систему уравнений (2) преобразуют в тождественную систему уравнений, у которой данное условие выполняется:

Таким образом, из системы разностей дальностей для орбит НКА с тождественными параметрами орбит для созвездия из 5 НКА один GPS - ведущий, четыре ГЛОНАСС - ведомые. Окончательные системы уравнений для двойных разностей дальностей (1) и для двойных разностей приращений дальностей (3), выраженные через координаты в геометрической прямоугольной системе координат, примут вид
для двойных разностей дальностей
,
Для двойных разностей приращений дальностей
;
;
,
где
- координаты ведомых НИСЗ, передаваемые в навигационных сообщениях в моменты времени t 1 , t 2 соответственно. Аналогично с использованием результатов измерений с помощью ССН определяются составляющие вектора скорости:
;
;
,
где
- составляющие вектора скорости НИСЗ, передаваемые в навигационных сообщениях в моменты времени t 1 , t 2 соответственно. Анализируя системы навигационных уравнений двойных разностей дальностей (4), двойных разностей приращений дальностей (5) и скоростей (6) с использованием ведущего, ведомых радиосигналов НИСЗ и соответствующих приемных устройств, каналов, видим, что в уравнениях компенсируются координаты ведущего НИСЗ GPS, компенсируются также погрешности, обусловленные расхождением шкал времени и частот GPS, ГЛОНАСС относительно шкалы времени, частоты объекта. Если в навигационных уравнениях известного способа присутствуют погрешности, обусловленные ионосферой, тропосферой, то в уравнениях предлагаемого способа с использованием двойных разностей дальностей присутствуют их разности. Для обеспечения высокой точности решения навигационной задачи, обусловленной геометрическим фактором определения положения в пространстве, положение КА в пространстве выбирается таким, при котором один КА находится в зените (обеспечивая высокую точности определения положения по вертикали), а остальные КА - в горизонтальной плоскости в направлениях, отличающихся друг от друга на 120 - 180 o (обеспечивая высокую точность определения положения по горизонтали) в зависимости от количества используемых КА. Таким образом, предлагаемый способ, несмотря, например, на серьезные различия в ГЛОНАСС и GPS, в способах задания эфемерид, в компоновке суперкадров и структур кадров служебной информации, в неидентичности используемых систем отсчета пространственных координат и различии шкал времени, формируемые от различных эталонов частоты и времени, позволяет совместное их использование, не проводя их в требуемое соответствие, т.е. без всяких организационных материальных доработок и доработок математического обеспечения систем. Принимая радионавигационные сигналы КА ГЛОНАСС и GPS параллельно или последовательно, используя мультиплексное приемное устройство или многоканальное, а также беря в одной серии измерений в качестве ведущих КА GPS, а в качестве ведомого КА ГЛОНАСС и наоборот в другой серии, можно определить координаты и составляющие вектора скорости объекта как в координатно-временной системе GPS, так и в координатно-временной системе ГЛОНАСС, не приводя их в соответствие. Совместное использование систем обеспечит определенную универсальность навигационных определений, надежность и достоверную обсервацию за счет сравнения результатов определений по разным системам для выявления случаев нарушения функционирования одной из систем. Под надежностью навигационного обеспечения понимается способность навигационной системы в любой момент времени обеспечить объект информацией для определения местоположения с точностью, гарантированной для рабочей зоны. Под достоверностью понимается способность навигационной системы выявлять отклонения в своем функционировании, приводящие к ухудшению точности определения координат и составляющих вектора скорости объекта за пределы заданных допустимых значений. Если система навигационных уравнений двойных разностей предлагаемого способа с использованием измерений с помощью дальномерных кодов (1) является по сути системой уравнений разностей дальностей, то система навигационных уравнений двойных разностей приращений дальностей, измеренных с помощью приращений фаз несущих на мерном интервале (2), является системой уравнений двойных разностей дальностей и также позволяет решить навигационную задачу - определить координаты местоположения и составляющие вектора скорости объекта. Поскольку, как это было показано выше, точность измерений двойных разностей приращений фаз на несущих частотах на порядок выше точности измерений разностей временных сдвигов кодовых последовательностей, то и точность решения навигационной задачи с использованием приращений фаз также выше точности решения с использованием разностей дальностей. В целях дальнейшего повышения точности решения навигационной задачи с использованием приращений фаз на несущих частотах за счет исключений из измерений погрешности, обусловленной ССН, двойные разности приращений дальностей производятся путем выделения из принятых сигналов с частотами, равными разностям частот Доплера, с использованием квадратурных фазовых детекторов, на первые выходы которых поступают сигнал ведущего, а на вторые входы - сигналы ведомых приемных устройств, затем производятся определение разностей приращений фаз путем умножения средних значений разностей частот Доплера на мерный интервал и определения двойных разностей приращений фаз путем их взаимного вычитания. Изложенное соответствует аппаратурной реализации, блок-схема которой приведена на фиг. 3. Выделение сигналов с частотами Доплера при приеме фазомодулированных сигналов с подавленными несущими производится путем возведения их в квадрат и фильтрации с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Сигналы с выходов устройств свертки, которые поступают на системы ФАПЧ ССН приемных устройств фиг. 3, в режиме синхронизма по задержкам дальномерных кодов являются значительно узкополосными сигналами - восстановленные несущие, промодулированные цифровой информацией. Диапазоны изменения значений несущих определяются в основном доплеровским смещением ( 50 кГц на частотах КА GPS, ГЛОНАСС), а ширина спектра сигнала - спектром цифровой информации ( 100 Гц). Сигналы ФАПЧ могут отслеживать сигналы, соответствующие только одной из двух боковых полос, и, следовательно, обладают энергетическими потерями, равными 3 дБ. Поэтому подключение устройств выделения из принятых навигационных сигналов, равных разностям частот Доплера предлагаемого способа фиг. 3, исключающих вторые боковые полосы, не вносит дополнительные энергетические потери. Принятые и преобразованные спутниковые навигационные радиосигналы, поступающие на квадратурные фазовые детекторы, несут уже в себе сдвиги частот, обусловленные нестабильностями генераторов КА, объекта, обусловленные условиями распространения радиоволн (ионосфера, тропосфера), сдвиги, обусловленные приемными трактами и другими факторами. Поэтому в процессе выделений колебаний с частотами, равными разностям частот Доплера предлагаемого способа, перечисленные частотные отклонения частично компенсируют друг друга. И уже при тройных разностях вклад их в точность навигационных определений будет незначительным. При использовании для решений навигационной задачи приращения фаз влияния приращений фаз на точность за счет ионосферы, тропосферы для крайних точек мерного интервала отличаются мало и при образовании вторых разностей практически устраняются. Особым отличительным признаком предлагаемого способа является то, что при измерениях разностей приращений фаз с использованием колебаний, равных разностям частот Доплера, в качестве ведущего сигнала можно использовать сигнал любого источника излучения: наземного, воздушного базирования или излучения КА других систем. В этом случае основное требование к приемному устройству определяющегося объекта это возможность принять сигнал и преобразовать его таким образом, чтобы он обеспечил работу блока квадратурных фазовых детекторов. Причем координаты источников излучения, их временные системы, нестабильности частот и приращения частот за счет распространения радиоволн знать не требуется. Они компенсируются в процессе навигационных измерений. Самым оптимальным вариантов аппаратурной реализации предлагаемого способа является вариант, когда в качестве ведущего сигнала приемного устройства объекта используются сигналы несущих, промодулированные дальномерными кодами имитаторов. Имитаторы позволяют оптимизировать скорость изменения частот конкретно для каждого типа навигационных систем и тем самым обеспечить их оптимальную работу с точки зрения получения потенциально возможной точности определения координат местоположения и составляющие вектора скорости объекта. Отличительные признаки предложенного способа:
прием N-канальным приемным устройством навигационных радиосигналов N спутников, один из каналов которого является ведущим, а другие - ведомыми;
определение разностей приращений дальностей и разностей дальностей путем вычитания из измеренных приращений фаз несущих и временных сдвигов кодовых последовательностей ведомыми приемными устройствами приращения фазы несущих и временного сдвига кодовой последовательности, измеренных ведущим приемным устройством;
определение двойных разностей дальностей приращений дальностей и дальностей путем взаимного вычитания разностей двойных разностей приращений фаз несущих и разностей временных сдвигов кодовых последовательностей в последовательности, определяемой геометрическим фактором определения положения в пространстве;
использование разностей двойных разностей приращений фаз несущих для определения координат и составляющих вектора скорости объекта;
измерение двойных разностей приращений дальностей путем выделения сигналов с частотами, равными разностям частот Доплера, принятых ведущим и каждым ведомым каналами приемного устройства с использованием квадратурных фазовых детекторов, на первые входы которых поступают сигналы ведущего канала, а на вторые входы - сигналы ведомых, и умножением их средних значений на мерный интервал;
прием ведущим каналом приемного устройства радиосигналов наземных, воздушных источников радиоизлучений и радиоизлучения космических аппаратов других систем;
использование ведущими каналами приемного устройства в качестве сигнала имитаторов;
выделение сигналов с частотами Доплера при приеме фазомоделированных сигналов с подавленными несущими путем возведения их в квадрат и фильтрации с последующим возвратом частот на искомые с использованием делителей частот. Таким образом, предложенный способ определения координат местоположения и составляющих вектора скорости объектов по радиосигналам КА СРНС обладает новизной, существенными отличиями и дает при использовании положительный эффект, заключающийся в повышении точности, надежности и достоверности навигационных определений спутниковых и наземных радионавигационных систем.

Задача определения местоположения транспортного средства заключается в определении его координат на поверхности Земли. Системы определения местоположения подразделяются на системы локального определения местоположения и системы дистанционного определения местоположения. В случае локального определения местоположения объект сам определяет свое положение. В качестве примера можно привести систему GPS. Дистанционное определение местоположения осуществляется из центрального пункта, который определяет местоположение отдельных объектов. В таком режиме работают, например, радиолокаторные системы.

Для определения местоположения используются, в основном, четыре технических метода: прямое определение местоположения, косвенное определение местоположения, спутниковые системы и наземные передатчики. Из них наиболее распространенным стало косвенное определение местоположения в сочетании со спутниковыми системами. Существенное преимущество систем заключается в том, что они не нуждаются в создании центральных пунктов или сложной инфраструктуры связи.

Известно, что использование датчиков (рис.13.4) только одного типа не позволяет, как правило, определить местоположение объекта с высокой точностью и достаточной надежностью. Поэтому часто комбинируются данные различных датчиков с помощью различных методов и алгоритмов.

Рисунок 13.4 – Датчики, используемые для определения местонахождения ТС

Прямое определение местоположения . Казалось бы, что это – самый простой метод определения местоположения, так как местоположение определяется в момент прохождения транспортного средства через данное сечение, образованное, например, радиомаяком. В данном случае часто говорят о датчике положения, сигнал которого может передаваться не только с помощью радиоволн, но также с помощью световых или инфракрасных лучей. Существенным условием является наличие в транспортном средстве бортового устройства, способного вести связь с радиомаяком. Кроме того, должна быть создана достаточно густая сеть маяков, покрывающих данную область.

При отсутствии бортового устройства используются видеокамеры, которые позволяют прочитать номерные знаки и по ним определять проезд ТС через данную сеть. Основным недостатком такой системы, которая используется для электронной платы за проезд, является высокая стоимость создаваемой инфраструктуры. Она содержит не только цену радиомаяков, но и цену всей сети связи. Поэтому эту систему не рекомендуется использовать только для определения местоположения ТС.

Косвенное определение местоположения . Данный метод является одним из простейших, и он основан на принципе, по которому можно подсчитать положение ТС, движущегося в двухразмерном пространстве, если известно его исходное положение (рис. 13.5). Этот метод заключается в суммировании приращений траектории и углов направления относительно исходной точки, т. е. определяется положение относительно опорной точки.

Рисунок 13.5 – Метод косвенного определения местоположения

Основной недостаток метода заключается в суммировании погрешностей при каждом измерении.

Спутниковая навигация . Современный этап развития методов определения координат связан с созданием спутниковых систем навигации.

Спутниковые системы первого поколения – это американская система Transit и советская система Цикада . Система Transit изначально разработанная для управления подводными лодками была запущена в 1964 г. и состояла из 7 низкоорбитальных спутников. С 1967 г. она стала доступна для гражданских пользователей. В 2000 г. система была выведена из эксплуатации.

Развертывание системы Цикада было начато в 1967 г., когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник. Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Советский Союз и Россия имеет военный вариант системы, называемый «Циклон».

В обеих системах координаты определялись на основании доплеровского сдвига частоты от каждого спутника, по которому определялось положение наблюдателя относительно спутника. Высота орбит спутников и в той и в другой системе 1000 км, точность навигации около 100 м. Хотя эти системы и покрывали основные потребности в навигации судов, но имели и существенные недостатки – низкое быстродействие, отсутствие непрерывной доступности, возможность позиционировать только медленно движущиеся объекты и др.

Спутниковые системы второго поколения – это уже работающие, или вводимые в эксплуатацию, системы это американская NAVSTAR (GPS) , российская ГЛОНАСС, европейская ГАЛИЛЕО, китайская БЕЙДОУ , индийская IRNSS .

GPS (Global Positioning System) – спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное определение координат объектов в любой точке земной поверхности в любое время суток. На сегодняшний день в научной и другой специализированной литературе, а так же во многих официальных документах, аббревиатуру GPS относят исключительно к американской системе NAVSTAR, хотя изначально предполагалось, что так будут называть все глобальные спутниковые системы позиционирования.

NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range) – навигационная система, обеспечивающая измерение времени и расстояния.

GPS была разработана в США и находится под управлением министерства обороны. Развертывание системы началось в 1977 г., когда был запущен первый спутник, а осуществлено полностью в 1993 г. Первоначально основным назначением GPS была высокоточная навигация военных объектов, но уже в 1983 г. система стала открытой для гражданского использования, а в 1991 г. были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования странам бывшего СССР.

На настоящий момент в орбитальную группировку входит 32 спутника.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Первый спутник был запущен в 1982 г., в 1995 г. развертывание системы было закончено, было запущено 24 спутника, однако многие из них вышли из строя, и до недавнего времени система не функционировала в полном объеме. Запуск новых спутников в 2009–2011 гг. существенно изменил ситуацию. На 14 ноября 2011 г. в орбитальную группировку входило 30 спутников, из которых 23 использовалось по целевому назначению. Таким образом, в конце 2011 г. ГЛОНАСС стала обеспечивать навигацию практически по всему Земному шару.

Галилео – Европейская спутниковая навигационная система. Первые экспериментальные спутники были запущены в 2005 и 2008 гг. В октябре 2011г. были запущены два первых рабочих спутника, еще два предполагается запустить в 2012 г. Всего предполагается к запуску 30 спутников. 27 рабочих и 3 запасных.

Бэйдоу (китайской название созвездия Большой Медведицы) – китайская спутниковая навигационная система. 27 июля 2011г. был запущен 9-й спутник. Предполагается, что в пределах Азиатско-Тихоокеанского региона система начнет оказывать навигационные услуги уже в 2012г. Полностью развертывание системы, состоящей из 35 спутников, намечено завершить в 2020 г.

IRNSS – индийская навигационная спутниковая система, находится в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

В зависимости от класса используемого наземного оборудования точность определения координат объектов при помощи GPS и ГЛОНАСС лежит в интервале от 10 м до единиц миллиметров (точность определения абсолютных координат на Земле), а время проведения измерений в большинстве случаев составляет от секунд до единиц минут. На сегодняшний день методы спутниковой навигации являются наиболее точными из всех существующих для определения координат наземных и околоземных объектов.

Назначение спутниковых систем. Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС – системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны).

Общий состав системы. Система глобального позиционирования (GPS) включает в себя 3 сегмента (рис. 13.6):

Космический сегмент (все рабочие спутники).

Управляющий сегмент (все наземные станции системы: основная управляющая и дополнительные для контроля).

Сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи).

Космический сегмент. Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют «сетку» над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести.

Рисунок 13.6 – Общий состав системы GNSS

Полностью развёрнутая спутниковая система (рис. 13.7) имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для «горячей» замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях. При необходимости в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника располагаются несколько эталонов времени и частоты «высокоточные атомные часы». Работает всегда один эталон, а располагается их в спутнике несколько (от трёх до четырёх).

Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника (рис. 13.8).

а) орбиты GPS спутников в 6 различных плоскостях; б) позиции спутников на карте

Рисунок 13.7 – Космический сегмент системы

Таким образом, несмотря на погрешность часов приемника и ошибок по времени, позиция вычисляется с точностью примерно 5–10 м.

Рисунок 13.8 – Четыре спутника для определения позиции в 3-D пространстве

Источники ошибок при распространении сигнала представлены на рис. 13.9.

Рисунок 13.9 – Источники ошибок при распространении сигнала

Спутниковая дальнометрия. Системы спутниковой навигации используют высоко расположенные спутники, которые размещаются таким образом, чтобы из любой точки n на земле можно было провести линию, по крайней мере, к четырем спутникам.

Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков .

Определение местоположения абонента в сетях GSM . Теоретически системы определения местоположения (ОМП) позволяют определить координаты абонента с точностью до нескольких десятков метров и являются реальной альтернативой системам глобального спутникового позиционирования, но лишь на территории обслуживания сотовых сетей.

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином «местоположение » следует понимать не нахождение географических координат – широты и долготы, что в принципе также возможно, а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте).

Согласно принятой классификации, СМП делятся на два основных типа: системы, для функционирования которых необходима доработка или замена абонентских устройств, и, работающие с обычными мобильными терминалами (системы позиционирования внутри сотовой сети).

В первом случае потребуется либо новая SIM-карта, либо новый аппарат, а возможно, и то и другое. Во втором случае никаких изменений в аппаратной части мобильного терминала не требуется, а необходимо только изменение программной части, таким образом, все затраты на развертывание системы несет оператор сети.

Для определения положения мобильного аппарата могут быть использованы три основных параметра радиосигналов: направление прихода, амплитуда и время задержки.

Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризовать расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике уровень сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность определения места и используется в качестве вспомогательного параметра.

Направление прихода сигналов может автоматически определяться, по различию фаз сигналов на элементах антенны. Можно также использовать несколько базовых станций, расположенных по соседству. Использования секторных антенн, вместо всенаправленных, позволяет определить направление прихода сигналов с большей точностью. Пересечение пеленгов из двух или большего числа мест обеспечивает с определенной точностью определение положения мобильного телефона.

При реализации угломерного метода – метод направления прихода сигналов – Angle of Arrival – АОА измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона α1 и α2 (град) (рис. 13.10) относительно линии базы, соединяющей две сотовые станции сети.

Рисунок 13.10 – Принцип реализации угломерного метода

При реализации дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1 [c] и Dt2 (сек) (рис. 13.11) распространения сигнала радиотелефона абонента не менее, чем до двух сотовых станций сети относительно их временных шкал, которые должны быть синхронизированы между собой, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Рисунок 13.11 – Принципиальная схема реализации дальномерного метода.

При реализации разностно-дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1[c], Dt2[c] и Dt3[c] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до трех базовых станций сети относительно их синхронизированных временных шкал, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Недостатками такой системы местоопределения можно назвать:

· Низкую точность в местоопределении (по сравнению со спутниковыми системами);

· Привязку к определенному оператору сотовой связи (GPS – глобальная система);

· Неравномерность качества услуги (зависимость от зоны действия сигнала).

Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов . С помощью достаточно большого количества дорожных указателей или контрольных пунктов (КП), точное местоположение которых известно в системе, на территории города создается сеть контрольных зон. Местоположение транспортного средства определяется по мере прохождения им КП. Индивидуальный код КП передается в бортовую аппаратуру, которая через подсистему передачи данных передает эту информацию, а также свой идентификационный код в подсистему управления и обработки данных. Таким образом, реализуется метод прямого приближения. Однако на практике чаще используется инверсный метод приближения – обнаружение и идентификация транспортных средств осуществляется с помощью установленных на них активных, пассивных или полуактивных маломощных радиомаяков, передающих на приемник КП свой индивидуальный код, или же с помощью оптической аппаратуры считывания и распознавания характерных признаков объекта, например, автомобильных номеров. Информация от КП далее передается в подсистему управления и обработки данных.

Очевидно, для зоновых систем точность местоопределения и периодичность обновления данных напрямую зависит от плотности расположения КП по территории действия системы. Методы приближения требую развитой инфраструктуры связи для организации подсистемы передачи данных с большого числа КП в центр управления и контроля, а в случае использования оптических методов считывания требуют и сложной аппаратуры на КП, и поэтому являются весьма дорогим при построении систем, охватывающих большие территории. В то же время, инверсные методы приближения позволяют минимизировать объемы бортовой аппаратуры – радиомаяка, либо вовсе обойтись без устанавливаемой на автомашину аппаратуры. Основное применение данных систем – комплексное обеспечение охраны автомашин, обеспечение поиска автомашин при угоне. Примером подобной системы является система «КОРЗ-ГАИ», обеспечивающая фиксацию приближения угнанной оборудованной автомашины к посту ГАИ.

Наиболее развита сеть дорожных указателей, с помощью которых реализуются системы как прямого, так и инверсного приближения в Японии. Дорожные указатели в Японии образуют общенациональную сеть. В Европе в 70-80гг. активно внедрялись системы избирательного обнаружения, идентификации и определения местонахождения транспортных средств, разработанных фирмами Philips и Cotag International Ltd (Великобритания). Дорожные указатели в виде электромагнитных петель размещаются непосредственно в дорожном покрытии. На ТС устанавливается полуактивный импульсный радиоответчик, включаемый при воздействии на него электромагнитного поля петли. В настоящее время в европейских странах активно действует компания ANANDA Holding AG. Начиная с 1992г. во Франции, а затем в 12 странах Европы и в Мексике разворачиваются системы INMED/VOLBACK, предназначенные для обнаружения местонахождения похищенных автомашин. Приемные антенны контрольных пунктов встраиваются в дорожное покрытие, столбы и прочие элементы оформления проезжих частей. Передатчик на автомашине имеет размеры около 5х4х2 см. Контрольные пункты связаны в единую общеевропейскую сеть. Во Франции 1500 КП образуют 400 зон. По оценке французских специалистов эффективность возврата угнанных автомашин, оборудованных передатчиками системы INMED/VOLBACK, составляет более 85% против 60% для необорудованных автомашин. Общая численность оборудованного автотранспорта в Европе по оценке ANANDA Holding AG должна составить не менее 500 тысяч автомашин.

Контрольные вопросы

1. Специальные автоматические устройства для мониторинга работы транспортных средств. Краткая характеристика.

2. Виды чип-карт для цифровых тахографов.

3. Системы определения местоположения транспортных средств.

4. Способы определения местоположения транспортных средств.

5. Спутниковые навигационные системы для определения местоположения ТС.

6. Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков.

7. Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов.