RU2842694C1 - High-accuracy local positioning system - Google Patents
High-accuracy local positioning system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2842694C1 RU2842694C1 RU2024136445A RU2024136445A RU2842694C1 RU 2842694 C1 RU2842694 C1 RU 2842694C1 RU 2024136445 A RU2024136445 A RU 2024136445A RU 2024136445 A RU2024136445 A RU 2024136445A RU 2842694 C1 RU2842694 C1 RU 2842694C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- equipment
- radio communication
- vehicle
- board
- terminal equipment
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам обеспечения навигации и маневрирования транспортных средств и различных подъемных механизмов, а также мониторинга их показателей или эксплуатационных параметров во время работы.The invention relates to means for ensuring navigation and maneuvering of vehicles and various lifting mechanisms, as well as monitoring their performance or operating parameters during operation.
При эксплуатации различных транспортных средств в настоящее время широко используются спутниковые систем глобального позиционирования и навигации (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou). При этом на транспортное средство устанавливается соответствующее приёмное устройство и монитор, отображающий своё текущее положение и дополнительную навигационную информацию, например, патент RU 2394719 С2. Точность позиционирования транспортного средства с помощью спутниковых систем глобального позиционирования и навигации обычно составляет 1-1,5 м. Однако для обеспечения навигации и маневрирования (воздушного, водного) транспорта и различных подъемных механизмов, особенно на опасных участках траекторий такой точности недостаточно.Satellite systems of global positioning and navigation (GLONASS, GPS, Galileo, BeiDou) are widely used in the operation of various vehicles. In this case, a corresponding receiving device and a monitor displaying its current position and additional navigation information are installed on the vehicle, for example, patent RU 2394719 C2. The accuracy of vehicle positioning using satellite systems of global positioning and navigation is usually 1-1.5 m. However, such accuracy is not enough to ensure navigation and maneuvering of (air, water) transport and various lifting mechanisms, especially in dangerous sections of trajectories.
Для повышения точности позиционирования движущегося транспортного средства информация спутниковой системы позиционирования дополняется данными бортовых измерительных устройств текущих параметров движения транспортного средства: путевого угла, угловой скорости поворота в горизонтальной плоскости, вектора скорости поступательного движения, силы тяги движителей, например, патенты RU 2403169 С1, RU 2406645 С1.To improve the accuracy of positioning a moving vehicle, the information from the satellite positioning system is supplemented with data from on-board measuring devices of the current parameters of the vehicle’s movement: track angle, angular rate of turn in the horizontal plane, vector of the forward motion velocity, thrust force of the propellers, for example, patents RU 2403169 C1, RU 2406645 C1.
Следующим шагом в направлении повышения точности позиционирования движущегося транспортного средства является применение наземных средств навигации - створных маяков, оптических, лазерных или микроволновых, в сочетании с бортовыми приёмными устройствами, позволяющими вычислять координаты движущегося наземного или водного транспортного средства относительно этих маяков, например, RU 2263329 С1, RU 2411159 С1, RU 2491204 С1, US 2007236389 A1. По сравнению со глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС) такие системы позволяют повысить точность позиционирования на два порядка за счёт того, что расстояние от транспортного средства до наземного маяка на три порядка меньше, чем до навигационного спутника. Однако перечисленные технические решения не предполагают высокоточного позиционирования водных транспортных средств, т.к. не требуют обязательного размещения нескольких маяков на различных высотах относительно водного транспортного средства. В случае если все маяки и транспортное средство размещены в одной плоскости, определение координат вдоль оси, ортогональной этой плоскости, невозможно.The next step towards increasing the accuracy of positioning a moving vehicle is the use of ground-based navigation aids - leading beacons, optical, laser or microwave, in combination with on-board receiving devices that allow calculating the coordinates of a moving land or water vehicle relative to these beacons, for example, RU 2263329 C1, RU 2411159 C1, RU 2491204 C1, US 2007236389 A1. Compared to the global navigation satellite system (GNSS), such systems allow increasing the accuracy of positioning by two orders of magnitude due to the fact that the distance from the vehicle to the ground beacon is three orders of magnitude less than to the navigation satellite. However, the listed technical solutions do not imply high-precision positioning of water vehicles, since they do not require the mandatory placement of several beacons at different heights relative to the water vehicle. If all beacons and the vehicle are located in the same plane, it is impossible to determine coordinates along the axis orthogonal to this plane.
В условиях плавания по внутренним водным путям может быть полезен альтернативный подход: на водных транспортных средствах размещается минимальный состав навигационного оборудования, а основные части системы высокоточного позиционирования сосредоточены на опасных участках водных путей, путепроводов, в первую очередь, в судоходных гидротехнических сооружениях, что позволит автономно контролировать параметры движения транспортных средств.In conditions of navigation on inland waterways, an alternative approach may be useful: a minimum set of navigation equipment is placed on watercraft, and the main parts of the high-precision positioning system are concentrated on dangerous sections of waterways, overpasses, primarily in shipping hydraulic structures, which will allow autonomous control of the parameters of vehicle movement.
В патенте US 5696514 А «Система измерения местоположения и скорости с использованием атомных часов в движущихся объектах и приемниках» рассматривается устройство для определения местоположения подвижного объекта на различных участках траектории. При этом передающая система располагается на подвижном объекте для передачи когерентного сигнала, содержащего точную частоту. Приемная система включает множество разнесенных в пространстве друг от друга приемных станций, средства определения времени распространения сигнала до каждой приемной станции, средство определения составляющей скорости по разности частот указанного переданного когерентного сигнала, принятого на каждой приёмной станции, и указанной точной частоты, вычислительную систему для определения местоположения движущегося объекта. Основной недостаток заявленной системы состоит в использовании единственной передающей станции на борту движущегося объекта, что не позволяет выполнить 3D-позиционирование движущегося объекта для его навигации и маневрирования на опасных участках траектории.Patent US 5696514 A "System for measuring location and speed using atomic clocks in moving objects and receivers" discusses a device for determining the location of a moving object in different sections of a trajectory. In this case, the transmitting system is located on the moving object for transmitting a coherent signal containing an exact frequency. The receiving system includes a plurality of receiving stations spaced apart from each other, means for determining the signal propagation time to each receiving station, means for determining the velocity component based on the frequency difference of the said transmitted coherent signal received at each receiving station and the said exact frequency, a computing system for determining the location of the moving object. The main disadvantage of the claimed system is the use of a single transmitting station on board the moving object, which does not allow 3D positioning of the moving object for its navigation and maneuvering in dangerous sections of the trajectory.
В качестве прототипа выбрана система высокоточного локального 3D-позиционирования водных транспортных средств для навигации и маневрирования на опасных участках внутренних водных путей, в состав которой входят комплекс бортового оборудования, который включает в себя четыре бортовых передающих станции, расположенные не на одной прямой и излучающие непрерывные немодулированные или модулированные радиосигналы на различных частотах и синхронизированные общим высокостабильным генератором опорных колебаний, бортовое терминальное оборудование радиолинии связи «борт - берег», комплекс берегового оборудования, включающий в себя блок вычислительный, разнесённые в пространстве восемь станций приёма сигналов, размещенных по правому и левому берегам русла в вершинах куба со стороной, равной ширине русла, к блоку вычислительному дополнительно подключены: автоматический измеритель уровня воды в судоходном гидротехническом сооружении, блок памяти, содержащий актуальную базу данных цифровых 3D - моделей водного транспортного средства и рельефа дна судоходного гидротехнического сооружения, а также береговое терминальное оборудование радиолинии связи «борт - берег».The prototype is a system for high-precision local 3D positioning of watercraft for navigation and maneuvering in dangerous sections of inland waterways, which includes a set of onboard equipment, which includes four onboard transmitting stations located not on the same straight line and emitting continuous unmodulated or modulated radio signals at different frequencies and synchronized by a common highly stable reference oscillation generator, onboard terminal equipment for the "board - shore" radio communication line, a set of shore equipment, including a computing unit, eight signal receiving stations spaced apart in space, located along the right and left banks of the channel at the vertices of a cube with a side equal to the width of the channel, the computing unit is additionally connected to: an automatic water level gauge in a shipping hydraulic structure, a memory unit containing an up-to-date database of digital 3D models of a watercraft and the bottom relief of a shipping hydraulic structure, as well as shore terminal equipment for a radio communication line "side - shore".
Недостатком применения прототипа в качестве системы высокоточного локального 3D-позиционирования транспорта и различных подъемных механизмов является нарушение работоспособности системы при расположении комплекса приемного оборудования в одной плоскости и ориентированность системы на водный транспорт.The disadvantage of using the prototype as a system for high-precision local 3D positioning of transport and various lifting mechanisms is the disruption of the system's operability when the receiving equipment complex is located in one plane and the system's focus on water transport.
Технологическая проблема, решаемая изобретением, - создание системы автономного высокоточного локального позиционирования транспортных средств и подъемных механизмов для их навигации и маневрирования на опасных участках траекторий, в которой приемная часть оборудования размещается на специальной площадке, находящейся на неподвижной (посадочной или грузовой) платформе или на земной поверхности, а бортовая часть оборудования минимальна.The technological problem solved by the invention is the creation of a system for autonomous high-precision local positioning of vehicles and lifting mechanisms for their navigation and maneuvering in dangerous sections of trajectories, in which the receiving part of the equipment is placed on a special platform located on a fixed (landing or cargo) platform or on the earth's surface, and the on-board part of the equipment is minimal.
Технический результат - повышение безопасности маневрирования транспорта (воздушного, водного) и подъемных механизмов на опасных участках траекторий.The technical result is an increase in the safety of maneuvering transport (air, water) and lifting mechanisms in dangerous sections of trajectories.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе, содержащей комплекс бортового оборудования и комплекс приемного оборудования, связанные между собой несколькими радиолиниями навигации и связи, в которой комплекс бортового оборудования включает в себя бортовые передающие станции, излучающие в окружающее пространство непрерывные немодулированные или модулированные радиосигналы сверхвысоких частот, синхронизированные общим высокостабильным генератором опорных колебаний, бортовое терминальное оборудование радиолинии связи, комплекс приемного оборудования включает в себя блок вычислительный, к которому подключены разнесённые в пространстве станции приёма сигналов, выполненные по супергетеродинной схеме с общим гетеродином, синхронизированным высокостабильным генератором опорных колебаний, блок графического отображения навигационной информации, терминальное оборудование радиолинии связи, соединённое по радиолинии с бортовым терминальным оборудованием радиолинии связи, полагают, что комплекс приемного оборудования является оборудованием опасного участка траектории (ОУТ), терминальным оборудованием в комплексе приемного оборудования является ОУТ терминальное оборудование, радиолинией связи является радиолиния связи «ТС - ОУТ», в состав комплекса бортового оборудования входит одна передающая станция, причем в состав комплекса оборудования ОУТ входят шесть приемных станций, которые размещены по обеим сторонам опасного участка траектории и со смещением друг относительно друга распределены по периметрам верхнего и нижнего оснований цилиндра, ось которого проходит в окрестности ОУТ, транспортным средством является воздушное или водное транспортное средство или подъемный механизм, а опасный участок его траектории лежит в окрестности специальной площадки, находящейся на неподвижной мобильной (посадочной или грузовой) платформе или на земной поверхности.The specified technical result is achieved in that in a system comprising an on-board equipment complex and a receiving equipment complex interconnected by several navigation and communication radio links, in which the on-board equipment complex includes on-board transmitting stations emitting continuous unmodulated or modulated ultra-high frequency radio signals into the surrounding space, synchronized by a common highly stable reference oscillation generator, on-board terminal equipment of the radio communication link, the receiving equipment complex includes a computing unit to which signal receiving stations spaced apart in space are connected, implemented according to a superheterodyne circuit with a common heterodyne synchronized by a highly stable reference oscillation generator, a navigation information graphic display unit, terminal equipment of the radio communication link connected via a radio link to the on-board terminal equipment of the radio communication link, it is assumed that the receiving equipment complex is equipment of a dangerous section of the trajectory (DSP), the terminal equipment in the receiving equipment complex is the DSP terminal equipment, the radio communication link is a "TS - DSP" radio communication link, in the on-board equipment complex includes one transmitting station, and the OUT equipment complex includes six receiving stations, which are located on both sides of the dangerous section of the trajectory and are distributed with an offset relative to each other along the perimeters of the upper and lower bases of the cylinder, the axis of which passes in the vicinity of the OUT, the vehicle is an air or water vehicle or a lifting mechanism, and the dangerous section of its trajectory lies in the vicinity of a special site located on a stationary mobile (landing or cargo) platform or on the earth's surface.
Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых изображено:The invention is explained by illustrations, which depict:
Фиг. 1 - Структурная схема системы высокоточного локального позиционирования;Fig. 1 - Structural diagram of the high-precision local positioning system;
Фиг. 2 - Конкретный пример системы.Fig. 2 - A specific example of the system.
Структура системы высокоточного локального позиционирования поясняется схемой, изображённой на фиг. 1.The structure of the high-precision local positioning system is illustrated by the diagram shown in Fig. 1.
Система содержит комплекс бортового оборудования и комплекс оборудования ОУТ, связанные между собой несколькими радиолиниями навигации и связи.The system contains a set of onboard equipment and a set of out-of-planet equipment, connected to each other by several radio navigation and communication lines.
Комплекс бортового оборудования (К1) включает в себя:The on-board equipment complex (K1) includes:
- одну бортовую передающую станцию (1), излучающую в окружающее пространство непрерывный немодулированный или модулированный радиосигнал сверхвысоких частот. Центр излучения передающей антенны бортовой передающей станции конструктивно жёстко связанных с корпусом транспортного средства и является реперной точкой на корпусе транспортного средства. Определение координат центра излучения передающей антенны на движущемся транспортном средстве или подъемном механизме возможно путём определения проекций полного вектора скорости на направления к нескольким, не менее шести, разнесённым в пространстве и расположенным не в одной плоскости неподвижным станциям приёма сигналов. Измерение не менее шести линейно независимых проекций вектора скорости необходимо для однозначного разрешения системы уравнений, включающей в себя шесть независимых неизвестных величин: три координаты реперной точки и три компоненты полного вектора её скорости. Измерение проекции вектора скорости источника радиоволн на направление к точке приёма заключается в измерении доплеровского сдвига частоты принимаемой волны относительно передаваемой. Для измерения разности этих двух частот с требуемой точностью необходимо поддерживать частоту передатчика с требуемой точностью и с максимально возможной точностью измерять частоту принимаемого сигнала. Максимальная точность поддержания частоты передатчика достигается при синхронизации с атомным стандартом частоты и времени (http://www.gaoran.ru/russian/lg/at%26f.html). Максимальная точность оценки частоты достигается при использовании непрерывного немодулированного гармонического колебания (https://digital.gov.ru/uploaded/files/prilozhenie-1-k-16-37-02-dop-k-normam1713.pdf#:~:text=- one on-board transmitting station (1) emitting a continuous unmodulated or modulated ultra-high frequency radio signal into the surrounding space. The radiation center of the on-board transmitting station's transmitting antenna is structurally rigidly connected to the vehicle body and is a reference point on the vehicle body. Determination of the coordinates of the radiation center of the transmitting antenna on a moving vehicle or lifting mechanism is possible by determining the projections of the full velocity vector onto the directions to several, at least six, spatially spaced and not located in the same plane fixed signal receiving stations. Measurement of at least six linearly independent projections of the velocity vector is necessary for an unambiguous resolution of a system of equations that includes six independent unknown quantities: three coordinates of the reference point and three components of the full vector of its velocity. Measuring the projection of the velocity vector of a radio wave source onto the direction to the reception point consists of measuring the Doppler shift of the frequency of the received wave relative to the transmitted one. To measure the difference between these two frequencies with the required accuracy, it is necessary to maintain the transmitter frequency with the required accuracy and measure the frequency of the received signal with the highest possible accuracy. The maximum accuracy of maintaining the transmitter frequency is achieved by synchronizing with the atomic frequency and time standard (http://www.gaoran.ru/russian/lg/at%26f.html). The maximum accuracy of frequency estimation is achieved by using continuous unmodulated harmonic oscillation (https://digital.gov.ru/uploaded/files/prilozhenie-1-k-16-37-02-dop-k-normam1713.pdf#:~:text=
1.2.4%20При%20измерении%20отклонения%20частоты,должны%20задаваться%201.2.4%20When%20measuring%20frequency%20deviation,%20must%20be%20specified
конкретной%20методикой%20измерений - Приложение А, п.А.1.2, стр. 10).specific measurement methodology - Appendix A, p.A.1.2, p. 10).
- Высокостабильный генератор опорных колебаний (2), подключённый к бортовой передающей станции (1). Колебания высокостабильного генератора опорных колебаний (2) поступают на опорный вход системы фазовой автоподстройки частоты СВЧ генератора бортовой передающей станции, задавая требуемый высокий уровень стабильности частоты излучаемых сигналов.- Highly stable reference oscillation generator (2), connected to the on-board transmitting station (1). Oscillations of the highly stable reference oscillation generator (2) are fed to the reference input of the phase-locked loop system of the microwave generator of the on-board transmitting station, setting the required high level of stability of the frequency of the emitted signals.
- Бортовое терминальное оборудование радиолинии связи «ТС - ОУТ» (3), соединённое по радиолинии с ОУТ терминальным оборудованием радиолинии связи «ТС - ОУТ» (7) и предназначенное, в первую очередь, для приёма навигационной информации, необходимой для маневрирования транспортного средства, передаваемой с комплекса оборудования ОУТ (К2). В аспекте технического результата, достигаемого изобретением, под навигационной информацией понимается текущее положение корпуса транспортного средства на ОУТ и прогноз этого положения на временной лаг принятия решения.- On-board terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (3), connected via a radio line to the OUT terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (7) and intended primarily for receiving navigation information necessary for maneuvering the vehicle, transmitted from the OUT equipment complex (K2). In terms of the technical result achieved by the invention, navigation information is understood to mean the current position of the vehicle body on the OUT and the forecast of this position for the time lag of decision-making.
Комплекс оборудования ОУТ (К2) включает в себя:The OUT (K2) equipment complex includes:
- Блок вычислительный (4), соединённый своими входами с выходами станций приёма сигналов (5), а также соединённый своими выходами с входом блока (6) графического отображения навигационной информации (текущего положения корпуса транспортного средства и прогноза этого положения на временной лаг принятия решения) и входом ОУТ терминального оборудованиям радиолинии связи «ТС - ОУТ» (9).- A computing unit (4), connected by its inputs to the outputs of the signal receiving stations (5), and also connected by its outputs to the input of the unit (6) for graphically displaying navigation information (the current position of the vehicle body and the forecast of this position for the decision-making time lag) and the input of the terminal equipment of the “TS - OUT” radio communication line (9).
- Не менее шести станций приёма сигналов (5), приёмные антенны станций приёма сигналов соединены с капитальными конструкциями ОУТ, координаты центров приемных антенн известны и расположены не в одной плоскости, выходы станций приёма сигналов соединены с входами блока вычислительного (4).- No less than six signal receiving stations (5), the receiving antennas of the signal receiving stations are connected to the capital structures of the OUT, the coordinates of the centers of the receiving antennas are known and are not located in the same plane, the outputs of the signal receiving stations are connected to the inputs of the computing unit (4).
- Блок (6) графического отображения навигационной информации (текущего положения корпуса транспортного средства и прогноза этого положения на временной лаг принятия решения), соединённый своим входом с выходом блока вычислительного (4).- Block (6) for graphic display of navigation information (current position of the vehicle body and forecast of this position for the time lag of decision-making), connected by its input to the output of the computing block (4).
- ОУТ терминальное оборудование радиолинии связи «ТС - ОУТ» (7), соединённое своим входом с выходом блока вычислительного (4) и соединённое по радиолинии с бортовым терминальным оборудованием радиолинии связи «ТС - ОУТ» (3).- OUT terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (7), connected by its input to the output of the computing unit (4) and connected via a radio line to the on-board terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (3).
Работа системы проиллюстрирована конкретным примером (фиг. 2). На фигуре 2 обозначения аналогичны обозначениям на фигуре 1. Дополнительно введено устройство (8) - генератор СВЧ, синхронизированный высокостабильным генератором опорных колебаний - в составе комплекса оборудования ОУТ. В составе бортового комплекса используются одна бортовая передающая станция (1), размещенная на корпусе транспортного средства или подъемного механизма. В составе комплекса оборудования ОУТ используются шесть станций приёма сигналов (5), размещённых по обеим сторонам опасного участка траектории и со смещением друг относительно друга распределены по периметрам верхнего и нижнего оснований цилиндра, ось которого проходит в окрестности ОУТ, причем радиус цилиндра - не менее 1 метра, высота цилиндра - не менее 4 метров. В бортовом комплексе используется непрерывный гармонический сигнал с частотой ƒ1. Генератор сигнала бортовой передающей станции (1) синхронизируется высокостабильным генератором опорных колебаний (2) с относительной нестабильностью частоты 10-11. В составе станций приёма сигналов (5) используются приёмные устройства супергетеродинного типа, в которых сигнал гетеродина частотой ƒLO является общим для всех приёмных станций и формируется генератором СВЧ, синхронизированным высокостабильным генератором опорных колебаний (8) в составе комплекса оборудования ОУТ, с относительной погрешностью частоты 10-11.The operation of the system is illustrated by a specific example (Fig. 2). In Fig. 2 the designations are similar to those in Fig. 1. Additionally, a device (8) is introduced - a microwave generator synchronized by a highly stable reference oscillation generator - as part of the OUT equipment complex. The on-board complex uses one on-board transmitting station (1), located on the body of the vehicle or lifting mechanism. The OUT equipment complex includes six signal receiving stations (5), located on both sides of the dangerous section of the trajectory and distributed with an offset relative to each other along the perimeters of the upper and lower bases of the cylinder, the axis of which passes in the vicinity of the OUT, with the radius of the cylinder being at least 1 meter, the height of the cylinder being at least 4 meters. The onboard complex uses a continuous harmonic signal with a frequency of ƒ1. The signal generator of the on-board transmitting station (1) is synchronized by a highly stable reference oscillation generator (2) with a relative frequency instability of 10-11. The signal receiving stations (5) use superheterodyne type receiving devices, in which the heterodyne signal with a frequency of ƒL.O.is common to all receiving stations and is generated by a microwave generator, synchronized by a highly stable reference oscillation generator (8) as part of the OUT equipment complex, with a relative frequency error of 10-11.
Система работает следующим образом.The system works as follows.
Оператор транспортного средства включает бортовую передающую станцию (1) перед входом на ОУТ за время, достаточное для выхода генератора бортовой передающей станции в рабочий режим. К моменту входа транспортного средства на ОУТ бортовая передающая станция (1) работает в режиме стабилизации частоты с относительной нестабильностью 10-11. Одновременно излучаемый бортовой передающей станцией (1) сигнал принимаются шестью станциями приёма сигналов (5) берегового комплекса. В тракте промежуточных частот каждого из шести приёмных устройств формируется сигнал с частотой, равной разности частоты передающей станции и промежуточной частоты ƒif, т.е. равной (ƒ1-ƒLO), который оцифровывается с частотой дискретизации ƒ0≥5׃if. Выборки из N отсчётов оцифрованного сигнала передаются в вычислительный блок (4).The vehicle operator switches on the on-board transmitting station (1) before entering the OUT for a time sufficient for the on-board transmitting station generator to enter the operating mode. By the time the vehicle enters the OUT, the on-board transmitting station (1) operates in the frequency stabilization mode with a relative instability of 10 -11 . The signal emitted by the on-board transmitting station (1) is simultaneously received by six signal receiving stations (5) of the shore complex. In the intermediate frequency path of each of the six receiving devices, a signal is generated with a frequency equal to the difference between the frequency of the transmitting station and the intermediate frequency ƒ if , i.e. equal to (ƒ 1 -ƒ LO ), which is digitized with a sampling frequency of ƒ 0 ≥5׃ if . Samples from N readings of the digitized signal are transmitted to the computing unit (4).
Отсчёты с номером выборки n сигнала передатчика, принятого l-ым приёмником (l=1, …, 6) в отсчётный момент времени t i , i=1, …, N Counts with sample number n of the transmitter signal received by the l -th receiver ( l =1, …, 6) at the reference time t i , i= 1, …, N
где A l - амплитуда сигнала,where A l is the signal amplitude,
λ=c/ƒ 1 - длина волны передатчика, с - скорость света,λ= c/ ƒ 1 - wavelength of the transmitter, c - speed of light,
r l - расстояние от антенны передатчика до антенны l-го приёмника, r l - the distance from the transmitter antenna to the antenna of the l- th receiver,
θ - начальная фаза колебаний передатчика. θ - initial phase of transmitter oscillations.
Вычисляется спектр сигналаThe signal spectrum is calculated
=FFT, =FFT ,
вычисляется спектр аналитического сигналаthe spectrum of the analytical signal is calculated
, ,
вычисляется аналитический сигналthe analytical signal is calculated
, ,
вычисляется текущая фаза аналитического сигналаthe current phase of the analytical signal is calculated
. .
Процедура повторяется с номером выборки (n+1), вычисляется разность текущих фаз с усреднением по N отсчётамThe procedure is repeated with the sample number ( n +1), the difference in current phases is calculated with averaging over N samples
. .
Приращение фазы сигнала передатчика, принятого l-ым приёмником, вызвано изменением расстояния между ними - Δr l за время между регистрацией выборок с номерами n и n+1. При этомThe phase increment of the transmitter signal received by the l -th receiver is caused by the change in the distance between them - Δ r l during the time between the registration of samples with numbers n and n +1. In this case,
. .
По результатам вычисления перемещения передатчика относительно l-го приёмника составляется система уравненийBased on the results of calculating the displacement of the transmitter relative to the l- th receiver, a system of equations is compiled
(У.1) (U.1)
где (x 0, y 0, z 0) - неизвестные координаты передатчика,where ( x 0 , y 0 , z 0 ) are the unknown coordinates of the transmitter,
(Δ x , Δ y , Δ z ) - компоненты неизвестного вектора перемещения передатчика,(Δ x , Δ y , Δ z ) - components of the unknown transmitter displacement vector,
(x l , y l , z l ), l=0, …, 6 - известные координаты l-го приёмника,( x l , y l , z l ), l =0, …, 6 - known coordinates of the l- th receiver,
Δ l - измеренная длина (со знаком) проекции вектора перемещения на луч от передатчика к приёмнику с номером l.Δ l is the measured length (with sign) of the projection of the displacement vector onto the beam from the transmitter to the receiver with number l .
Для бортовой передающей станции (1) получилась система из шести нелинейных уравнений с шестью неизвестными (У.1), которая разрешается любым итерационным методом, например, Ньютона. В качестве начального приближения координат и скорости бортовой передающей станции (1) в случае первого (в начале процедуры позиционирования) измерения следует брать какие-то априорные либо внешние данные, например, с радара или данные ГЛОНАСС (GPS) с транспортного средства. В связи с низкой точностью оценки начальных координат и скорости транспортного средства первая итерационная процедура может немного затянуться.For the onboard transmitting station (1), a system of six nonlinear equations with six unknowns (U.1) was obtained, which is solved by any iterative method, for example, Newton's. As an initial approximation of the coordinates and velocity of the onboard transmitting station (1) in the case of the first (at the beginning of the positioning procedure) measurement, some a priori or external data should be taken, for example, from a radar or GLONASS (GPS) data from a vehicle. Due to the low accuracy of the initial coordinates and velocity of the vehicle, the first iterative procedure may take a little longer.
После разрешения системы уравнений для первого измерения в качестве начального приближения итерационной процедуры при втором и последующих измерениях используются начальные координаты цели (x 0+Δ x , y 0+Δ y , z 0+Δ z ) и вектор перемещения (Δ x , Δ y , Δ z ) по данным предыдущего измерения. Близость начального приближения к истинным значениям неизвестных величин сократит число требуемых итераций до одной - двух. Также после разрешения системы (У.1) при первом измерении в последующих измерениях можно подставлять в систему (У.1) вместо неизвестных переменных (x 0, y 0, z 0) известные оценки величины (x 0+Δ x , y 0+Δ y , z 0+Δ z ), найденные при предыдущем измерении. После этого система (У.1) становится линейной относительно трёх неизвестных (Δ x , Δ y , Δ z ). Из шести уравнений можно оставить только три. Выбирать их следует по максимальным значениям коэффициентов (x l-x 0), (y l-y 0), (z l-z 0). После чего остаётся только решить систему трёх линейных уравнений относительно трёх неизвестных (Δ x , Δ y , Δ z ). Новые координаты цели определятся как ((x 0+Δ x , y 0+Δ y , z 0+Δ z ).After resolving the system of equations for the first measurement, the initial coordinates of the target ( x 0 +Δ x , y 0 +Δ y , z 0 +Δ z ) and the displacement vector (Δ x , Δ y , Δ z ) according to the previous measurement are used as the initial approximation of the iteration procedure for the second and subsequent measurements. The closeness of the initial approximation to the true values of the unknown quantities will reduce the number of required iterations to one or two. Also, after resolving system (U.1), during the first measurement, in subsequent measurements it is possible to substitute into system (U.1) the known estimates of the quantity ( x 0 +Δ x , y 0 +Δ y , z 0 +Δ z ) found in the previous measurement instead of the unknown variables ( x 0 , y 0 , z 0 ). After this, system (U.1) becomes linear with respect to the three unknowns (Δ x , Δ y , Δ z ). Of the six equations, only three can be left. They should be selected based on the maximum values of the coefficients ( x l - x 0 ), ( y l - y 0 ), ( z l - z 0 ). After which it remains only to solve the system of three linear equations for three unknowns (Δ x , Δ y , Δ z ). The new target coordinates are determined as (( x 0 +Δ x , y 0 +Δ y , z 0 +Δ z ).
При большом отношении сигнал/шум в приёмном устройстве погрешность оценки вектора перемещения бортовой передающей станции определяется относительной нестабильностью частоты δƒWith a large signal-to-noise ratio in the receiving device, the error in estimating the movement vector of the onboard transmitting station is determined by the relative frequency instability δƒ
, ,
где F=V/λ - доплеровский сдвиг частоты на длине волны λ при скорости передатчика V. При частоте сигнала 950-960 МГц, относительной нестабильности частоты 10-11 и скорости 1 см/сек, погрешность составит ± 1,0 см. При увеличении частоты сигнала в три раза, погрешность оценки перемещения уменьшится на порядок.where F = V/ λ is the Doppler frequency shift at wavelength λ at transmitter velocity V . With a signal frequency of 950-960 MHz, relative frequency instability of 10 -11 and velocity of 1 cm/sec, the error will be ± 1.0 cm. With a threefold increase in signal frequency, the error in estimating displacement will decrease by an order of magnitude.
Полученные таким образом оценки координат центра излучения антенны бортовой передающей станции (1) используются как реперная точка модели транспортного средства, загружаемая в блок вычислительный (4) и отображаемая на блоке графического отображения навигационной информации (6) комплекса оборудования ОУТ системы и передаваемая по радиолинии связи через ОУТ терминальное оборудование радиолинии связи «ТС - ОУТ» (7) на бортовое терминальное оборудование радиолинии связи «ТС - ОУТ» (3).The estimates of the coordinates of the radiation center of the antenna of the on-board transmitting station (1) obtained in this way are used as a reference point of the vehicle model, loaded into the computing unit (4) and displayed on the graphical display unit of the navigation information (6) of the equipment complex of the OUT system and transmitted via the radio communication line through the OUT terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (7) to the on-board terminal equipment of the radio communication line "TS - OUT" (3).
Полученные в дополнение к текущим координатам транспортного средства значения проекций вектора его скорости (вектора перемещения за время между регистрацией выборок с номерами n и n+1) позволяют прогнозировать последующие перемещения транспортного средства на ОУТ и, таким образом, прогнозировать возникновение аварийных ситуаций на ОУТ.The values of the projections of the vehicle's speed vector (the displacement vector during the time between the registration of samples with numbers n and n +1) obtained in addition to the current coordinates of the vehicle make it possible to predict subsequent movements of the vehicle on the OUT and, thus, to predict the occurrence of emergency situations on the OUT.
Промышленная реализация предлагаемой системы возможна на основе промышленно выпускаемых средств связи, измерительных приборов и средств вычислительной техники, известных из общего уровня техники. В частности, известны: WO 2018109435 A1 - Система управления снарядом, использующая множество передатчиков и приёмников электромагнитных волн и определяющая координаты и скорость объекта управления; US 5870056 A - Пассивная система позиционирования «воздух - воздух», определяющая координаты и скорость активной цели по результатам измерения одновременно доплеровского сдвига частоты и фазовых сдвигов в интерферометре с большой базой.Industrial implementation of the proposed system is possible on the basis of industrially produced communication equipment, measuring instruments and computing equipment known from the general state of the art. In particular, the following are known: WO 2018109435 A1 - Projectile control system using multiple transmitters and receivers of electromagnetic waves and determining the coordinates and speed of the controlled object; US 5870056 A - Passive air-to-air positioning system determining the coordinates and speed of an active target based on the results of measuring simultaneously the Doppler frequency shift and phase shifts in an interferometer with a long base.
Критически важными для промышленной реализации системы являются измерительные приборы, обеспечивающие точность позиционирования порядка 1 см. Это высокостабильный генератор опорных колебаний с относительной нестабильностью частоты не хуже 10-11. В качестве высокостабильного генератора опорных колебаний могут быть использованы стандарты частоты и времени рубидиевые Ч1-1020/2 с систематическим относительным изменением частоты выходного сигнала 10(5) МГц за 1 сутки не более ± 2×10-12, выпускаемые НПП ООО «ГНОМОН», Россия, (https://rubikom.org/catalog/rubidievyie-opornyie-generatoryi-i-standartyi-chastotyi/standart-chastotyi-i-vremeni-rubidievyij-ch1-1020-2.html). Приборы Ч1-1020/2 могут выпускаться в варианте для применения на транспортных средствах.Of critical importance for the industrial implementation of the system are measuring instruments that ensure a positioning accuracy of about 1 cm. This is a highly stable reference oscillation generator with a relative frequency instability of no worse than 10 -11 . Rubidium frequency and time standards Ch1-1020/2 with a systematic relative change in the output signal frequency of 10(5) MHz over 1 day of no more than ± 2×10 -12 , manufactured by NPP OOO GNOMON, Russia, (https://rubikom.org/catalog/rubidievyie-opornyie-generatoryi-i-standartyi-chastotyi/standart-chastotyi-i-vremeni-rubidievyij-ch1-1020-2.html) can be used as a highly stable reference oscillation generator. Ch1-1020/2 devices can be produced in a version for use on vehicles.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить безопасность передвижения транспортных средств и проведения погрузочно-разгрузочных работ за счёт повышения точности позиционирования транспортных средств и подъемных механизмов, особенно на опасных участках траекторий.Thus, the proposed invention makes it possible to increase the safety of movement of vehicles and loading and unloading operations by increasing the accuracy of positioning of vehicles and lifting mechanisms, especially in dangerous sections of trajectories.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2842694C1 true RU2842694C1 (en) | 2025-07-01 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5696514A (en) * | 1996-02-28 | 1997-12-09 | Northrop Grumman Corporation | Location and velocity measurement system using atomic clocks in moving objects and receivers |
| US5870056A (en) * | 1996-12-05 | 1999-02-09 | Lockheed Martin Corporation | Air-to-air passive location system |
| RU2768244C1 (en) * | 2021-08-24 | 2022-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "АФС 52" | System of high-precision local 3d - positioning of water vehicles for navigation and maneuvering on dangerous sections of inland waterways |
| RU2784802C1 (en) * | 2022-06-15 | 2022-11-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс") | Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning |
| WO2023126367A1 (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | User equipment and method for high precision sidelink positioning |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5696514A (en) * | 1996-02-28 | 1997-12-09 | Northrop Grumman Corporation | Location and velocity measurement system using atomic clocks in moving objects and receivers |
| US5870056A (en) * | 1996-12-05 | 1999-02-09 | Lockheed Martin Corporation | Air-to-air passive location system |
| RU2768244C1 (en) * | 2021-08-24 | 2022-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "АФС 52" | System of high-precision local 3d - positioning of water vehicles for navigation and maneuvering on dangerous sections of inland waterways |
| WO2023126367A1 (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | User equipment and method for high precision sidelink positioning |
| RU2784802C1 (en) * | 2022-06-15 | 2022-11-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс") | Noise-immune rangefinder local radio navigation system providing high-precision positioning |
| RU2803992C1 (en) * | 2022-12-14 | 2023-09-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Сервисный центр Транстелематика" | Software and hardware complex for high precision vehicle positioning (hpvp shc) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7889122B2 (en) | Refractivity retrieval via direct measurement of GNSS bending angle | |
| US8077078B1 (en) | System and method for aircraft altitude measurement using radar and known runway position | |
| US8204677B2 (en) | Tracking method | |
| EP1580570B1 (en) | Estimation and resolution of carrier-wave ambiguities in a position navigation system | |
| US9024805B1 (en) | Radar antenna elevation error estimation method and apparatus | |
| Walker et al. | A high-resolution, four-band SAR testbed with real-time image formation | |
| US12442937B2 (en) | Techniques for determining geolocations | |
| RU2682661C1 (en) | Method of active review single-pulse radiolocation with an inverse synthesis of antenna aperture | |
| CA2172368A1 (en) | System and method for generating precise code based and carrier phase position determinations | |
| US20110273324A1 (en) | Continuous high-accuracy locating method and apparatus | |
| EP1818683B1 (en) | Methods and systems for interferometric cross track phase calibration | |
| RU2152625C1 (en) | Method determining orientation of objects in space, range to them and bearing, position coordinates and components of velocity vector by navigation radio signals of spacecraft of space radio navigation systems | |
| US7760139B1 (en) | GPS based attitude reference system | |
| US5781151A (en) | Interferometric trajectory reconstruction technique for flight inspection of radio navigation aids | |
| RU2842694C1 (en) | High-accuracy local positioning system | |
| Zhou et al. | Very high resolution SAR imaging with DGPS-supported airborne X-band data | |
| US6542121B1 (en) | Sensor system | |
| RU2286584C2 (en) | Method for independent instantaneous determination by users of co-ordinates of location, velocity vector components, angular orientation in space and phase of carrier phase of radio signals of ground radio beacons retransmitted by satellites | |
| US10254409B2 (en) | Method and device for determining at least one sample-point-specific vertical total electronic content | |
| RU113022U1 (en) | LAND-SPACE RADAR SYSTEM | |
| Jha et al. | Ka-band FMCW radar altimeter for navigation | |
| Kim et al. | An Integrated Navigation System Using GPS Carrier Phase for Real‐Time Airborne/Synthetic Aperture Radar (SAR) | |
| EP1218770B1 (en) | Positioning satellite system for measuring position of signal source | |
| US10148352B1 (en) | Continuous carrier optical phase optometric measurement over coherent optical communication link | |
| RU2768244C1 (en) | System of high-precision local 3d - positioning of water vehicles for navigation and maneuvering on dangerous sections of inland waterways |