Спосіб визначення координат літаючого об’єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв’язку

Реферат: Спосіб визначення координат літаючого об'єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку включає літаючий об'єкт, на який встановлюють бортовий комплекс, що приймає радіосигнали щонайменше від трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, за даними радіосигналами бортовий комплекс визначає номер базової станції та номер пелюстка спрямованості базової станції. В пам'ять бортового комплексу попередньо заносять інформацію про точні координати розташування базових станцій мереж стільникового зв'язку за їх номерами, а до складу бортового комплексу додатково включають електронний годинник, який попередньо синхронізують з електронними годинниками базових станцій мереж стільникового зв'язку. Бортовий комплекс за прийнятими радіосигналами базових станцій мереж стільникового зв'язку визначають моменти часу їх випромінювання даними станціями і здійснюють визначення дальності до кожної базової станції мереж стільникового зв'язку на підставі визначення часу затримки радіосигналів до моменту їх прийому з наступним помноженням даного часу затримки на швидкість розповсюдження радіосигналів. Визначення координат літаючого об'єкта виконують за формулами. UA 117633 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ ЛІТАЮЧОГО ОБ'ЄКТА НА ОСНОВІ ВИКОРИСТАННЯ РАДІОСИГНАЛІВ БАЗОВИХ СТАНЦІЙ МЕРЕЖ СТІЛЬНИКОВОГО ЗВ'ЯЗКУ UA 117633 U UA 117633 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області навігації, зокрема до способу навігації з використанням радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку, і може використовуватися як у військовій сфері для навігаційного забезпечення високошвидкісних ракет тактичного і оперативно-тактичного призначення, так і для цивільних потреб, зокрема для навігації літаків та управління безпілотними літаючими апаратами. Відомий спосіб визначення місцеположення абонентської мобільної станції, встановленої на транспортному засобі [патент РФ №2272356, опубл. 20.03.2006], який полягає в тому, що абонентська мобільна станція приймає N сигналів локації, відповідної кожної з N базових станцій мереж стільникового зв'язку, за прийнятими радіосигналами оцінюють затримки радіосигналів від кожної N базових станцій мереж стільникового зв'язку до абонентської мобільної станції, для кожної з N базових станцій мереж стільникового зв'язку визначають величину похибки за оціненою затримкою радіосигналу, як різницю між сумою оціненої затримки пілот-радіосигналу з припущеним розузгодженням годин, помножених на швидкість світла, та відстані до прогнозованого місцезнаходження абонентської мобільної станції, для кожної станції визначають ваговий коефіцієнт міри похибки, формують оцінку відстані до N базових станцій мереж стільникового зв'язку, приймають за початкові оцінки координат абонентської мобільної станції, яка встановлена на транспортному засобі, формують траєкторію руху транспортного засобу у вигляді функціональної залежності. Недоліком даного способу є те, що він не може застосовуватися для визначення координат літаючих об'єктів. Відомий спосіб визначення географічних координат [патент України №112690, опубл. 26.12.2016], який передбачає вимірювання різниці фаз, оброблених навігаційним приймачем радіосигналів прийнятих чотирма антенними елементами розташованими на жорсткій конструкції, положення якої відоме відносно власної системи координат носія, формалізується залежність різниць фаз на антенних елементах від орієнтації ліній між антенними елементами, та відношення для визначення вектора шуканих параметрів ітераційним методом, змінюють вектор невідомих параметрів та по відповідно модифікованому алгоритму, з використанням показників, додатково встановлених на гіроплатформі трьох гіроскопів, обчислюють географічні координати об'єкта. Недоліком даного способу є складність процесу вимірювання різниці фаз радіосигналу, а також необхідність застосування чотирьох антенних елементів, які розташовані на жорсткій конструкції, що збільшує габарити навігаційного комплексу, знижує його надійність і робить малопридатним для використання на літаючих об'єктах. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб визначення географічних координат транспортних засобів відносно базових станцій [патент України №39325, опубл. 25.02.2009], який полягає у тому, що на транспортному засобі встановлюють щонайменше один бортовий комплекс, який приймає щонайменше один радіосигнал, який генерується щонайменше однією базовою станцією мереж стільникового зв'язку, причому отримавши згаданий сигнал, бортовий комплекс визначає параметри базової станції мереж стільникового зв'язку, а саме: номер базової станції мереж стільникового зв'язку та номер пелюстка спрямованості базової станції мереж стільникового зв'язку за допомогою функції NETMONITOR і заносить в запам'ятовувальний пристрій бортового комплексу, для визначення географічних координат транспортного засобу з центра керування формується запит номерів базових станцій та номерів пелюстків спрямованості, який відсилається через оператора мобільного зв'язку в бортовий комплекс, який формує інформацію про номери базових станцій мереж стільникового зв'язку та номери пелюстків спрямованості базових станцій мереж стільникового зв'язку і відсилає її оператору мобільного зв'язку, який визначає методом інтегрального обчислення зони покриття сигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку географічні координати транспортного засобу. Недоліком даного способу є невелика точність визначення географічних координат транспортного засобу що становить: у межах міста ±20 метрів і за межами міста ±500 метрів, а також відсутня можливість отримання географічних координат в умовах реального часу, що виключає застосування даного способу для забезпечення навігації літаючих об'єктів. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу визначення координат літаючого об'єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку, в якому за рахунок прийому бортовим комплексом радіосигналів щонайменше від трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, і обчислення за часом запізнення отриманих радіосигналів відстаней до цих базових станцій мереж стільникового зв'язку, після чого на підставі розроблених математичних формул здійснюється розрахунок координат літаючого об'єкта. 1 UA 117633 U 5 10 15 Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення координат літаючого об'єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку на літаючому об'єкті встановлюють бортовий комплекс, який приймає радіосигнали щонайменше від трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, за даними радіосигналами бортовий комплекс, визначає номер базової станції, та номер пелюстка спрямованості базової станції, при цьому попередньо в пам'ять бортового комплексу заносять інформацію про точні координати знаходження базових станцій мереж стільникового зв'язку за їх номерами, а до складу бортового комплексу додатково включають електронний годинник, який попередньо синхронізується з електронними годинниками базових станцій мереж стільникового зв'язку, причому бортовий комплекс за прийнятими радіосигналами базових станцій мереж стільникового зв'язку визначає моменти часу їх випромінювання даними станціями і здійснює визначення дальності до кожної базової станції мереж стільникового зв'язку на підставі визначення часу затримки радіосигналів до моменту їх прийому з наступним помноженням даного часу затримки на швидкість розповсюдження радіосигналів, причому визначення координат літаючого об'єкта виконується за наступними формулами: ' ' ' x П  х1  х Пc 21  y Пc 21  hПc 31 ; ' ' ' у П  у1  х Пc 12  y Пc 22  hПc 32 ; ' ' ' hП  h1  х Пc 13  y Пc 23  hПc 33 ; 20 25 де: x П , у П , hП - координати літаючого об'єкта; х 1 , у 1 , h1 - відомі координати розташування першої з трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, радіосигнали з яких прийняв бортовий комплекс; C11 , C12 , C13 , C21 , C 22 , C 23 , C31 , C 32 , C 33 - коефіцієнти, які розраховуються за наступними співвідношеннями: c 31  y 2  y1 h3  h1   h2  h1 y 3  y1  ; c 32  h2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h3  h1  ; c 33  x 2  x1 y 3  y1   y 2  y1 x 3  x1  ;   r12  r13   r12  r13   r12  r13 x 2  x1 ;  r12 y 2  y1 ;  r12 c 13  35 c 11  c 12  30 h 2  h1 ;  r12 c 21  c13c 32  c12c 33 ; c 22  c11c 33  c13 c 31 ; c 23  c12c 31  c11c 32 ; де: x 2 , x 3 , y 2 , y 3 , h 2 , h 3 - відомі координати розташування двох інших базових станцій мереж стільникового зв'язку, радіосигнали з яких прийняв бортовий комплекс відповідно;  r12 - модуль вектора спрямованого від першої до другої базової станції, який 40 розраховується за формулою:  r12  x 2  x1 2  y 2  y1 2  h2  h12 ; 2 UA 117633 U   r12  r13 - модуль векторного добутку векторів спрямованих від першої до другої і від першої до третьої базових станцій відповідно, який розраховується за формулою:   r12  r13  y 2  y1 h3  h1   h2  h1 y 3  y1 2   h 2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h3  h1 2  ;  x 2  x1 y 3  y1  y 2  y1 x 3  x1 2 5 ' ' ' х П , y П , hП - координати літаючого об'єкта в спеціальній системі координат, які розраховуються за формулами: ' хП  ' yП  10 2 2 D1  D 2  x '2 2 2x '2 ; 2 ' 2 ' 2 D 2  D 3  x '2  2x '2 x П  х '3  2x '3 x П  y '3 2 ; 2y '3 ' 2 '2 '2 hП  D1  xП  yП ; де: D1 , D 2 , D 3 - дальності від літаючого об'єкта до відповідної базової станції мереж стільникового зв'язку; 15 x '2 , x '3 , y '3 - координати відповідних базових станцій мереж стільникового зв'язку в спеціальній системі координат, які розраховуються за формулами: x '2  y '3  x '3  x 2  x12  y 2  y12  h2  h12 2 pp  ap  bp  c  ; ; a 2 b  y '3 , 20 де: p - півпериметр уявного трикутника зі сторонами a , b , c , що створюють базові станції мереж стільникового зв'язку, який розраховується за формулою: p abc ; 2 25 сторони трикутника a , b , c визначаються за співвідношеннями: a  x '2 ; b 30 35 40 x 3  x12  y 3  y12  h3  h12 ; c x 3  x 2 2  y 3  y 2 2  h3  h2 2 . На кресленні наведено схематичне зображення, яке відображає геометричну суть і пояснює механізм здійснення запропонованого способу. На наведеному кресленні прийняті наступні позначення: ЛO - літаючий об'єкт; O, x, y,h - загальноприйнята система координат 1942 року СК-42; O' , x' , y' ,h' - спеціальна система координат; БС1, БС2, БС3 - базові станції мереж стільникового зв'язку, які знаходяться в зоні надходження стійкого радіосигналу в момент здійснення вимірювання, та мають фіксовані координати в СК-42 x1, y1,h1  , x 2 , y 2 ,h2  , x 3 , y 3 ,h3  відповідно. 3 UA 117633 U Базові станції мереж стільникового зв'язку БС1, БС2, БС3 утворюють трикутник, що лежить в площині O' , x' , y' спеціальної системи координат O' , x' , y' , h' , причому БС1 знаходиться в початку спеціальної системи координат та має координати координатна вісь 5 10 O', x' ,   0,0,0 , через БС2 проходить тому координати даної станції в спеціальній системі координат   матимуть значення x '2 ,0,0 відповідно координати БС3 будуть x '3 , y '3 ,0 . Спосіб визначення координат літаючого об'єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку здійснюється наступним чином. На літаючому об'єкті встановлюють бортовий комплекс, який приймає радіосигнали щонайменше від трьох випадкових базових станцій мереж стільникового зв'язку БС1, БС2, БС3, і відповідно їх ідентифікує та визначає координати в загальноприйнятій системі координат 1942 року O, x, y,h , які були попередньо занесені в пам'ять, після чого згідно з кресленням, перераховує координати x '2 , x '3 , y '3 цих базових станцій мереж стільникового зв'язку в спеціальну систему координат O' , x' , y' ,h' за наступними формулами: 25 x 2  x12  y 2  y12  h2  h12 ; x 3  x12  y 3  y12  h3  h12 ; c 20 a b 15 x 3  x 2 2  y 3  y 2 2  h3  h2 2 . Завдяки попередній синхронізації електронних годинників базових станцій мереж стільникового зв'язку і бортового комплексу, за прийнятими радіосигналами базових станцій мереж стільникового зв'язку визначаються моменти часу їх випромінювання даними станціями і здійснюється розрахунок дальності D1 , D 2 , D 3 до кожної базової станції мереж стільникового зв'язку БС1, БС2, БС3. На підставі визначення часу затримки радіосигналів до моменту їх прийому з наступним помноженням даного часу затримки на швидкість розповсюдження радіосигналів визначаються координати літаючого об'єкта в додатково введеній спеціальній системі координат O' , x' , y' , h' за наступними формулами: ' хП  ' yП  30 2 2 D1  D 2  x '2 2 2x '2 ; 2 ' 2 ' 2 D 2  D 3  x '2  2x '2 x П  х '3  2x '3 x П  y '3 2 ; 2y '3 ' 2 '2 '2 hП  D1  xП  yП . Отримавши координати літаючого об'єкта в додатково введеній спеціальній системі координат O' , x' , y' , h' здійснюється перерахунок координат до загальноприйнятої системи координат 1942 року O, x, y,h за наступними формулами: 35 ' ' ' x П  х1  х Пc 21  y Пc 21  hПc 31 ; ' ' ' у П  у1  х Пc 12  y Пc 22  hПc 32 ; ' ' ' hП  h1  х Пc 13  y Пc 23  hПc 33 ; c 31  40 y 2  y1 h3  h1   h2  h1 y 3  y1  ; c 32  h2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h3  h1  ; c 33  x 2  x1 y 3  y1   y 2  y1 x 3  x1  ;   r12  r13   r12  r13   r12  r13 4 UA 117633 U c 11  c 12  y 2  y1 ;  r12 c 13  5 x 2  x1 ;  r12 h 2  h1 ;  r12 c 21  c13c 32  c12c 33 ; c 22  c11c 33  c13 c 31 ; c 23  c12c 31  c11c 32 ;  r12  x 2  x1 2  y 2  y1 2  h2  h1 2 ;   r12  r13  y 2  y1 h3  h1   h2  h1 y 3  y1 2   h 2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h3  h1 2  .  x 2  x1 y 3  y1   y 2  y1 x 3  x1 2 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 Спосіб визначення координат літаючого об'єкта на основі використання радіосигналів базових станцій мереж стільникового зв'язку, що включає літаючий об'єкт, на який встановлюють бортовий комплекс, що приймає радіосигнали щонайменше від трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, за даними радіосигналами бортовий комплекс визначає номер базової станції та номер пелюстка спрямованості базової станції, який відрізняється тим, що в пам'ять бортового комплексу попередньо заносять інформацію про точні координати розташування базових станцій мереж стільникового зв'язку за їх номерами, а до складу бортового комплексу додатково включають електронний годинник, який попередньо синхронізують з електронними годинниками базових станцій мереж стільникового зв'язку, причому бортовий комплекс за прийнятими радіосигналами базових станцій мереж стільникового зв'язку визначають моменти часу їх випромінювання даними станціями і здійснюють визначення дальності до кожної базової станції мереж стільникового зв'язку на підставі визначення часу затримки радіосигналів до моменту їх прийому з наступним помноженням даного часу затримки на швидкість розповсюдження радіосигналів, причому визначення координат літаючого об'єкта виконують за наступними формулами: ' ' ' x П  х 1  х Пc 21  y Пc 21  hПc 31 ; ' ' ' у П  у1  х П c12  y П c22  hП c32 ; ' ' ' hП  h1  х Пc 13  y Пc 23  hП c 33 ; 30 35 де: x П , у П , hП - координати літаючого об'єкта; х 1 , у 1 , h1 - відомі координати розташування першої з трьох базових станцій мереж стільникового зв'язку, радіосигнали з яких прийняв бортовий комплекс; C11 , C12 , C13 , C21 , C 22 , C 23 , C31 , C 32 , C 33 - коефіцієнти, які розраховують за наступними співвідношеннями: y  y1 h 3  h1   h 2  h1 y 3  y1  c 31  2 ;   r12  r13 c 32  c 33  c 11  h 2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h 3  h1    r12  r13 ;   r12  r13 ; x 2  x1 y 3  y1   y 2  y1 x 3  x1  x 2  x1 ;  r12 5 UA 117633 U c 12  c 13  5 10 y 2  y1 ;  r12 h 2  h1 ;  r12 c 21  c13 c 32  c12 c 33 ; c 22  c11c 33  c13 c 31 ; c 23  c12 c 31  c11c 32 ; де: x 2 , x 3 , y 2 , y 3 , h 2 , h 3 - відомі координати розташування двох інших базових станцій мереж стільникового зв'язку, радіосигнали з яких прийняв бортовий комплекс, відповідно;  r12 - модуль вектора спрямованого від першої до другої базової станції, який розраховують за формулою:  r12  x 2  x1 2  y 2  y1 2  h 2  h1 2 ;   r12  r13 - модуль векторного добутку векторів спрямованих від першої до другої і від першої до третьої базових станцій відповідно, який розраховують за формулою:   r12  r13  15 ' ' ' х П , y П , h П - координати літаючого об'єкта в спеціальній системі координат, які розраховуються за формулами: ' хП  ' yП  20 y 2  y1 h3  h1   h 2  h1 y 3  y1 2   h 2  h1 x 3  x1   x 2  x1 h 3  h1 2  ;  x 2  x1 y 3  y1   y 2  y1 x 3  x1 2 2 2 D1  D 2  x '2 2 2x '2 ; 2 ' 2 ' 2 D 2  D3  x '2  2x '2 x П  х '3  2x '3 x П  y '3 2 ; 2y '3 ' 2 '2 '2 hП  D1  x П  y П ; де: D1 , D 2 , D 3 - дальності від літаючого об'єкта до відповідної базової станції мереж стільникового зв'язку; x '2 , x '3 , y '3 - координати відповідних базових станцій мереж стільникового зв'язку в спеціальній системі координат, які розраховуються за формулами: x '2  y '3  25 x 2  x1 2  y 2  y1 2  h2  h1 2 2 pp  ap  bp  c  a ; ; 2 x '3  b  y '3 де: p - півпериметр уявного трикутника зі сторонами a , b , c , що створюють базові станції мереж стільникового зв'язку, який розраховується за формулою: abc p ; 2 сторони трикутника a , b , c визначаються за співвідношеннями: 30 a  x '2 ; b x 3  x1 2  y 3  y1 2  h3  h1 2 ; c x 3  x 2 2  y 3  y 2 2  h3  h2 2 . 6 UA 117633 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7