Полезная модель относится к радиотехническим навигационным системам и может быть использована при определении координат движущихся объектов в некоторой локальной зоне с требуемой точностью определения координат.

Использование локальных навигационных систем обусловлено несколькими основными причинами:

- системы глобальной (спутниковой) навигации не могут обеспечить в реальном масштабе времени дециметровую точность позиционирования мобильных объектов на поверхности Земли, а именно такая точность необходима для решения задач управления наземным транспортом и целого ряда других задач;

- работа систем глобальной (спутниковой) навигации резко ухудшается в закрытых и полузакрытых пространствах: внутри помещений, в тоннелях, под мостами и т.д.

Анализ рынка возможных заказчиков (потребителей), которые в наибольшей степени нуждаются в высокоточном позиционировании местоположения объектов на земной поверхности (с учетом применения локальных навигационных систем) показывает, что такими потребителями являются организации и предприятия, деятельность которых связана с управлением движением наземного транспорта. Типичными требованиями таких потребителей является обеспечение возможности позиционирования движущихся объектов со среднеквадратической погрешностью 0,2 - 1 м на критических участках автомобильных и железнодорожных трасс: в закрытых пространствах (под мостами, в тоннелях), на развязках автодорог и аварийно опасных участках, в местах перевода стрелок железнодорожного транспорта. Однако, системы спутниковой навигации позволяют обеспечить в реальном масштабе времени в лучшем случае метровую точность, а иногда и более низкую точность - несколько десятков метров. Более точное позиционирование в реальном масштабе времени объектов, движущихся со скоростями до 150 -200 км/час, возможно в случае использования локальных навигационных систем (ЛНС).

Основные требования потребителей навигационной информации к ЛНС можно сформулировать следующим образом:

1) Среднеквадратическая ошибка позиционирования движущихся со скоростями до 150 -200 км/час наземных объектов не должна превышать 0,5 м.

2) Один сегмент сети должен обеспечивать высокоточное навигационное поле на поверхности земли в окрестности до 300 м.

3) ЛНС должна быть обеспечивать высокий уровень информационной безопасности.

4) Аппаратура ЛНС должна быть предельно простой и дешевой что позволит сделать применение ЛНС экономически оправданным, учитывая большое количество локальных зон.

5) ЛНС должна функционировать как в открытых, так и в закрытых пространствах. 6) Аппаратура ЛНС должна удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами.

Известна система неавтономного локального позиционирования компании SafeTzone (А. Самарин Мультисенсорные навигационные системы для локального позиционирования // Современная электроника, 2006, N . 6 с. 10-17 [1]). В данной системе локального позиционирования используется принцип действия, аналогичный принципу работы системы GPS: пользовательское устройство измеряет задержку сигнала, приходящего от расположенных вокруг базовых станций. Система SafeTzone может применяться для определения координат объекта навигации в локальной зоне. На каждом объекте навигации установлен передатчик. Каждые 12,5 с передатчик посылает данные о своём местонахождении на ближайший приёмник. Достигаемая точность позиционирования составляет 6...15 м. Эта система содержит передатчик объекта навигации, приемники, навигационный сервер, центральную станцию. Признаками, общими с заявляемой системой, являются радиомаяки и навигационный сервер.

Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, являются:

- низкая точность позиционирования (6...15 м);

- большая погрешность при позиционировании движущихся объектов со скоростями до 150 -200 км/час.

Известна система локального позиционирования Hitachi (А. Самарин Мультисенсорные навигационные системы для локального позиционирования // Современная электроника, 2006, Ns 6 с. 10-17 [1]). В данной системе используется технология беспроводной передачи данных WLAN. Система должна иметь как минимум три узла, расположенных на расстоянии 100...200 м друг от друга [2]. Основными областями применения системы фирмы Hitachi являются: контроль за перемещениями оборудования и продукции на заводах и складах. Эта система содержит передатчик объекта навигации, навигационный сервер, управляющий сервер, центральную станцию, сетевые карты. Признаком, общим с заявляемой системой, является навигационный сервер.

Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, являются:

- большая погрешность при определении координат движущихся с высокой скоростью объектов навигации;

- низкая точность позиционирования (1 ...Зм).

Известна также навигационная система производства ОАО «Алмаз- Антей» и ООО «ВедаПроект» [http://www. vedapro.ru/pseudo.php [3]], представляющая функциональное наземное дополнение к системе GPS/ГЛОНАСС в виде сети имитаторов спутниковых сигналов, расположенных в локальной зоне на земной поверхности [3]. Это техническое решение содержит псевдоспутники, приемник GPS/ГЛОНАСС, контрольно-корректирующую станция, навигационный сервер. Признаками, общими с заявляемой системой, является навигационный сервер.

Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, являются: - проблемы электромагнитной совместимости с системами GPS ГЛОНАСС;

- необходимость наличия автономной системы точного времени для работы такой системы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе техническим решением (прототипом) является фазовая разностно-дальномерная система (Бакулев П. А., Сосновский А. А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1994. - с. 21 1-215 [4])

Это техническое решение содержит радиомаяки, УРЧ, измерители фаз, опорный генератор, коммутатор, вычислитель. Радиомаяки выполнены в виде опорных станций, а вычислитель представляет устройство сравнения фаз.

Признаками, общими с заявляемой системой, являются радиомаяки, вычислитель.

Причинами, препятствующими достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, являются:

- недостаточная точность;

- большая погрешность при определении координат движущихся с высокой скоростью объектов навигации;

Технической задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является повышение точности определения координат, обеспечение высокого уровня информационной безопасности, обеспечение достаточной точности определения координат движущихся с высокой скоростью объектов навигации, обеспечении функционирования системы в открытых и в закрытых пространствах, удовлетворение требований электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами.

Для достижения технического результата в известное устройство, содержащее радиомаяки, вычислитель, введены навигационный сервер, на входы которого поступают сигналы с радиомаяков, а сигналы с выхода навигационного сервера поступают по каналу связи на навигационную аппаратуру потребителя объекта навигации и в модуль связи диспетчерского пункта, фазовые дискриминаторы навигационного сервера, на входы которых с выходов радиомаяков поступают сигналы масштабной частоты, выходы которых соединены со входами вычислителя навигационного сервера, интерфейсный модуль навигационного сервера, на объекте навигации установлена навигационная аппаратура потребителя, включающая канал диспетчирования, канал запроса, радиоканал получения навигационной информации, блок управления и индикации, направленный ответвитель, приемную и передающую антенны, и обеспечивающая излучение двухчастотного гармонического сигнала запроса, поступающего на вход радиомаяков и далее с ограничителей маяков - на входы навигационного сервера, в котором выделяются сигналы разностной частоты двухчастотного гармонического сигнала, затем измеряются разности фаз сигналов разностной частоты, принятых радиомаяками, по которым вычисляется местоположение объекта навигации, причем вычисление координат объекта навигации осуществляется на навигационном сервере и передается по каналу связи на навигационную аппаратуру потребителя объекта навигации и модуль связи диспетчерского пункта.

Совокупность вновь введенных элементов и связей вместе с остальными элементами и связями системы не следует явным образом из уровня техники. Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых указанная совокупность элементов и связей самостоятельно или в совокупности с остальными элементами и связями предлагаемой системы была бы описана. Это позволяет считать, что заявляемая локальная навигационная система является новой и имеющей изобретательский уровень.

Сущность работы системы поясняется фиг. 1. На фиг. 1 представлена структурная схема локальной навигационной системы. Система содержит навигационную аппаратуру потребителя (НАЛ) 1, установленную на объекте навигации, первый радиомаяк 2, второй радиомаяк 3, третий радиомаяк 4, навигационный сервер 5, первый фазовый дискриминатор навигационного сервера 6, второй фазовый дискриминатор навигационного сервера 7, третий фазовый дискриминатор навигационного сервера 8, вычислитель навигационного сервера 9, интерфейсный модуль навигационного сервера 10, модуль связи диспетчерского пункта 11.

Первый выход первого радиомаяка 2 соединен с первым входом первого фазового дискриминатора 6, второй выход первого радиомаяка 2 соединен со вторым входом третьего фазового дискриминатора 8, первый выход второго радиомаяка 3 соединен со втором входом первого фазового дискриминатора 6, второй выход второго радиомаяка 3 соединен с первым входом второго фазового дискриминатора 7, первый выход третьего радиомаяка 4 соединен со втором входом второго фазового дискриминатора 7, второй выход третьего радиомаяка 3 соединен с первым входом третьего фазового дискриминатора 8. Выход первого фазового дискриминатора 6 навигационного сервера соединен с первым входом вычислителя 9 навигационного сервера, выход второго фазового дискриминатора 7 навигационного сервера соединен со вторым входом вычислителя 9 навигационного сервера, выход третьего фазового дискриминатора 8 навигационного сервера соединен с третьим входом вычислителя 9 навигационного сервера. Первый выход интерфейсного блока 10 соединен с четвертым входом вычислителя 9 навигационного сервера, выход вычислителя 9 навигационного сервера соединен с первым входом интерфейсного блока 10, второй выход интерфейсного блока 10 соединен с первым входом навигационной аппаратуры потребителя 1 объекта навигации, третий выход интерфейсного блока 10 соединен с входом модуля связи диспетчерского пункта 11, второй выход навигационной аппаратуры потребителя 1 объекта навигации соединен со вторым входом интерфейсного модуля 10, второй выход модуля связи диспетчерского пункта 11 соединен с третьим входом интерфейсного модуля 10, первый выход модуля связи диспетчерского пункта 11 соединен с первым входом навигационной аппаратуры потребителя 1 объекта навигации, первый выход навигационной аппаратуры потребителя 1 объекта навигации соединен с входом первого радиомаяка 2, первый выход навигационной аппаратуры потребителя 1 объекта навигации соединен с входом второго радиомаяка 3, первый выход навигационной, аппаратуры потребителя 1 объекта навигации соединен с входом третьего радиомаяка 4.

Работа локальной навигационной системы заключается в следующем.

Локальная навигационная система строится на основе нескольких пассивных маяков - СВЧ-приемников (РМ1 - РМп), антенны которых устанавливаются в пунктах с известными координатами. Вычисление координат объекта навигации (решение навигационной задачи) и функции взаимодействия с потребителями навигационной информации (идентификация пользователей, обработка их запросов, передача информации о местоположении объекта навигации потребителям) сети возлагается на навигационный сервер (НС).

На объекте навигации устанавливается навигационная аппаратура потребителя (НАЛ). НАЛ содержит три канала (канал диспетчирования, канал запроса, радиоканал получения навигационной информации) и блок управления и индикации.

Канал диспетчирования служит для управления доступом к локальной навигационной системе: он разрешает или запрещает посылать сигналы запроса навигационной информации. Принцип работы канала заключается в обнаружении сигналов запроса навигационной информации, сравнения их с заданным пороговым уровнем и выдачи команды запрет/разрешение микроконтроллеру управления. Он содержит приемник обнаружения навигационных сигналов в сети в текущий момент времени и пороговое устройство. Если навигационные сигналы присутствуют (т.е. запрос был ранее сделан каким-либо другим пользователем), то разрешение на посылку сигнала запроса не выдается до тех пор, пока не будет обслужен запрос этого пользователя.

Канал запроса формирует сигнал запроса навигационной информации. Запрос формируется НАЛ при одновременном выполнении двух условий: во- первых, извне (от системы спутниковой навигации или диспетчера) поступила команда инициации запроса, содержащая код ЛНС, во-вторых, ЛНС не должна в это время быть занятой обслуживанием другого потребителя. Первое условие обеспечивается обработкой в МК команды инициации запроса, второе проверкой наличия в эфире сигналов запроса от других пользователей, т.е. отсутствием сигнала запрета на выходе канала диспетчирования.

Запрос начинается с излучения кодовой последовательности КНК, обозначающей начало кадра запроса. Затем излучаются код навигационной сети (КНС) и код идентификации потребителя (КИП). После этого излучается сигнал запроса навигационной информации, представляющей собой двухчастотный гармонический сигнал, частота одного из которых равна 1250 МГц, а частота второго изменяется приблизительно через 0,1 мс и принимает последовательно значения 1251 МГц, 1260 МГц и1350 МГц, после чего излучается кодовая последовательность ККК - признак конца сигнала запроса. Сигнал с частотой 1250 МГц является опорным, а сигналы с частотами 1251 МГц, 1260 МГц и1350 МГц - масштабными. Из них в НС сети формируются масштабные частоты 1, 10 и 100 МГц, которые используются для решения навигационной задачи. Гармонические сигналы с частотами 1250, 1251 , 1260 и 1350 МГц формируются соответствующими синтезаторами частоты СЧ, суммируются в сумматоре и через коммутатор Ком, усилитель и направленный ответвитель НО поступают в антенну и излучаются в эфир. Коммутатор Ком управляется МКУ и используется для разрешения/запрещения излучения сигналов запроса.

Сигналы запроса обрабатываются в навигационном сервере (НС) локальной навигационной системы, который организует передаче навигационной информации в НАЛ. Принятая НАЛ информация обрабатывается в микроконтроллере управления и далее используется по назначению (отображается устройством индикации, заносится в базу данных, используется для управления движение объекта навигации и т.д.). Информация может передаваться как по радиоканалу непосредственно на объект навигации, так и по проводным сетям в модуль связи диспетчерского пункта.

При выборе несущих частот принимались во внимание следующие соображения: этот диапазон выделен для работы радионавигационных систем, он относительно свободен, радиоволны этого диапазона практически не поглощаются атмосферой, размеры ненаправленных или слабонаправленных антенн радиомаяков в том диапазоне не превышают 6-8 см, что упрощает их маскировку и антивандальное исполнение. Необходимая мощность излучаемого сигнала запроса 5-10 мВт, что на расстоянии 100 - 300м до радиомаяков позволяет создавать плотность потока мощности при ненаправленном излучении порядка 10 ^~10 - 10 ^"9 Вт/м ² .

Длительность сигнала запроса должна выбираться из следующих соображений. Во-первых, она должна быть достаточной для измерения разности фаз после окончания переходных процессов в приемном устройстве радиомаяка и в фазовом дискриминаторе навигационного сервера. С этой точки зрения длительность излучения сигналов масштабных частот необходимо увеличивать. Во-вторых, изменение положения мобильного объекта навигации за время измерения разности фаз не должно быть существенным. С этой точки зрения длительность излучения сигналов масштабных частот необходимо уменьшать.

Будем исходить из максимальной скорости движения объекта навигации равной 200 км/час. Следовательно, за 1 секунду он переместится на расстояние 55,56 м. Если исходить из допустимой погрешности измерения · »в · 0,2 м, и а составляющую погрешности, обусловленную движением принять в 0,02 м, нетрудно вычислить, что максимальное время измерения не должно превышать 0,4 - 0,5 мс. Таким образом, примем длительность изучения масштабных частот, равной 0,4 мс.

СВЧ-приемник каждого радиомаяка содержит полосовой фильтр с полосой пропускания 1250-1350 МГц, усилитель, нелинейный элемент, резонансный усилитель и ограничитель. Принимаемый двухчастотный сигнал запроса фильтруется по частоте, усиливается и поступает на нелинейный элемент, в котором из него формируется масштабная частота, равная разности частот пришедших сигналов. Эта масштабная частота выделяется резонансным усилителем, с выхода которого сигнал масштабной частоты поступает на амплитудный ограничитель, который нормирует этот сигнал по амплитуде.

Сигналы масштабной частоты с выходов ограничителей радиомаяков передаются на входы фазовых дискриминаторов (ФД) навигационного сервера (НС).

Количество радиомаяков может быть увеличено при конфигурировании конкретной навигационной системы и ограничивается числом аналоговых портов МК.

В НС сигналы с выходов фазовых дискриминаторов поступают на входы аналого-цифровых преобразователей ADC микроконтроллера МК, преобразуются в цифровую форму и обрабатываются процессором, который вычисляет координаты объекта навигации по описанному ранее алгоритму. Помимо этого МК выполняет функции идентификации потребителя и управления работой НС и (при необходимости) взаимодействия с другими локальными навигационными системами (ЛНС).

После идентификации объекта навигации и вычисления его координат информация о координатах объекта навигации через интерфейсный модуль навигационного сервера передается потребителю навигационной информации (передается код начала кадра, код идентификации потребителя, код навигационной сети, координаты потребителя, код конца кадра) - на навигационную аппаратуру потребителя объекта навигации и модуль связи диспетчерского пункта.

Разработанная локальная навигационная система обеспечивает требуемую точность определения координат объекта навигации (до 0.03 м). Обеспечивается требуемая среднеквадратическая ошибка позиционирования движущихся со скоростями до 150 -200 км/час наземных объектов - более 0,5 м. Разработанная ЛНС обеспечивает высокий уровень информационной безопасности, а также обеспечивается функционирование ЛНС как в открытых, так и в закрытых пространствах.

Макет локальной навигационной системы применяется на предприятии - открытое акционерное общество «Азовский оптико-механический завод».

Источники информации.

1. А. Самарин Мультисенсорные навигационные системы для локального позиционирования // Современная электроника, 2006, Mb 6 с. 10-17

2. Веб ресурс - http://rnd.cnews.ru/news/top/index_science. shtml?2003/ 1 1/26/225269

3. Веб ресурс - http://www. vedapro.ru/pseudo.php

4. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1994. - с. 211-215