RU2843565C1 - Method and system for navigation and measurement of motion parameters of mobile object - Google Patents
Method and system for navigation and measurement of motion parameters of mobile objectInfo
- Publication number
- RU2843565C1 RU2843565C1 RU2024119915A RU2024119915A RU2843565C1 RU 2843565 C1 RU2843565 C1 RU 2843565C1 RU 2024119915 A RU2024119915 A RU 2024119915A RU 2024119915 A RU2024119915 A RU 2024119915A RU 2843565 C1 RU2843565 C1 RU 2843565C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- transmitter
- navigation
- range
- receiver
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиотехническим системам позиционирования и навигации, которые определяют местоположение объекта путем измерения частоты биений и фазы, спектральных и временных параметров передаваемых радиосигналов относительно частотно модулированного и непрерывного радиосигнала стационарных или подвижных приемопередатчиков.The invention relates to radio engineering, namely to radio engineering positioning and navigation systems that determine the location of an object by measuring the beat frequency and phase, spectral and time parameters of transmitted radio signals relative to the frequency-modulated and continuous radio signal of stationary or mobile transceivers.
Данные способ и система могут применяться для навигации в тоннелях городской инфраструктуры, коллекторах инженерных коммуникаций, являющихся искусственными подземными сооружениями, а также в полостях естественного происхождения, находящихся в верхней части литосферы и др., размер продольного профиля которых превосходит на несколько порядков размеры их поперечного сечения, при этом продольная ось может представлять собой как прямую, так и ломаную или кривую линию.This method and system can be used for navigation in urban infrastructure tunnels, utility collectors, which are artificial underground structures, as well as in cavities of natural origin located in the upper part of the lithosphere, etc., the size of the longitudinal profile of which exceeds the size of their cross-section by several orders of magnitude, while the longitudinal axis can be either a straight line or a broken or curved line.
Кроме подземных сооружений различного назначения и полостей естественного происхождения в литосфере Земли, данный способ и система могут применяться в космонавтике, при исследовании и освоении небесных тел. Например, для навигации внутри пещер, лавовых трубок и искусственных горных выработок на Луне.In addition to underground structures of various purposes and cavities of natural origin in the Earth's lithosphere, this method and system can be used in astronautics, in the exploration and development of celestial bodies. For example, for navigation inside caves, lava tubes and artificial mines on the Moon.
Также представленные способ и система могут применяться для навигации в двух- или трехмерном пространстве.The presented method and system can also be used for navigation in two- or three-dimensional space.
К особенностям подземных сооружений, в т.ч. тоннелей и коллекторов, а также экранированных сооружений и горных выработок, можно отнести жесткие условия эксплуатации для радиооборудования, не позволяющие использовать многие типы навигационных систем. В этом случае не представляется возможным определять координаты с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и других типов радионавигационных систем с большой зоной действия, используемых для создания координатно-навигационного поля на открытой местности и в ближнем околоземном пространстве.The peculiarities of underground structures, including tunnels and collectors, as well as shielded structures and mine workings, include harsh operating conditions for radio equipment, which do not allow the use of many types of navigation systems. In this case, it is not possible to determine coordinates using signals from global navigation satellite systems (GNSS) and other types of radio navigation systems with a large coverage area used to create a coordinate-navigation field in open terrain and in near-Earth space.
Взвешенные частицы, содержащиеся в атмосфере подземных сооружений производственного и транспортного назначения, ограничивают применение оптических датчиков. Кроме того, некоторые объекты имеют пожаро- и взрывоопасную атмосферу, наличие которой предъявляет дополнительные требования к используемому оборудованию.Suspended particles contained in the atmosphere of underground industrial and transport facilities limit the use of optical sensors. In addition, some facilities have a fire- and explosion-hazardous atmosphere, the presence of which imposes additional requirements on the equipment used.
Условия работы под землей связаны с недостатком или отсутствием освещения, высокой влажностью, повышенной концентрацией углекислого газа, недостаточным воздухообменом, неровными несущими или опорными поверхностями движителя, нерегулярными поперечными сечениями тоннелей и грязью.Underground working conditions involve little or no lighting, high humidity, elevated carbon dioxide concentrations, inadequate air exchange, uneven load-bearing or support surfaces of the drive unit, irregular tunnel cross-sections and dirt.
Системы Indoor-навигации, предназначенные для применения в помещениях с экранирующими стенами (склады, ангары, шахты и т.д.), основаны на использовании RFID-меток, а также технологий Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi, NFER, ZigBee, NanoLOC, UWB.Indoor navigation systems, designed for use in rooms with shielding walls (warehouses, hangars, mines, etc.), are based on the use of RFID tags, as well as Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi, NFER, ZigBee, NanoLOC, UWB technologies.
Основным недостатком такого подхода является необходимость размещения вдоль навигационной трассы большого количества меток или маяков на расстоянии от единиц до десятков метров друг от друга. Учитывая, что навигационная трасса в промышленных объектах может иметь протяженность в единицы и десятки километров, а для многих типов маяков и меток необходимо наличие электрического питания, данное техническое решение является громоздким, дорогостоящим и имеет низкую надежность.The main disadvantage of this approach is the need to place a large number of marks or beacons along the navigation route at a distance from units to tens of meters from each other. Considering that the navigation route in industrial facilities can be several or tens of kilometers long, and many types of beacons and marks require electrical power, this technical solution is cumbersome, expensive, and has low reliability.
При определении расстояния до движущегося объекта, а также для определения его местоположения широко используются два известных радиотехнических метода измерения расстояния - интерференционный и импульсный. В навигационной задаче используется радиотехническая система, включающая, как минимум, три радиопередатчика. Эта система излучает либо незатухающие электромагнитные колебания, между которыми измеряются, как минимум, два фазовых сдвига; либо излучаются радиоимпульсы и измеряются, как минимум, два сдвига по времени их прихода в какую-либо точку окружающего пространства. Сущность радиотехнических методов измерения расстояния сводится к определению времени, необходимого для прохождения радиосигнала между точками пространства, располагая знанием о скорости распространения электромагнитной волны (Асеев Б.П. Фазовые соотношения в радиотехнике. 3-е изд., доп.М. Связьиздат, 1959. 304 с).When determining the distance to a moving object, as well as for determining its location, two well-known radio engineering methods of measuring distance are widely used - interference and pulse. In the navigation problem, a radio engineering system is used, including at least three radio transmitters. This system either emits undamped electromagnetic oscillations, between which at least two phase shifts are measured; or radio pulses are emitted and at least two shifts in the time of their arrival at any point in the surrounding space are measured. The essence of radio engineering methods of measuring distance comes down to determining the time required for a radio signal to pass between points in space, having knowledge of the propagation speed of an electromagnetic wave (Aseyev B.P. Phase Relations in Radio Engineering. 3rd ed., suppl. M. Svyazizdat, 1959. 304 p).
Известен способ позиционирования добычного комбайнового комплекса в горной выработке с использованием технологии BLE (Шевелев И.М., Затонский А.В. Решение задачи одометрического позиционирования горно-выемочной машины под землей посредством применения фильтра Калмана // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2021. Т.21. №2. С.123-135. DOI: 10.14529/ctcr210212). Сзади бункера-перегружателя по центру на заданной высоте от опорной поверхности установлен приемник сигнала, а чуть ниже его находится устройство, сбрасывающее iBeacon-маяк при удалении приемника на заданную дальность от ранее сброшенного маяка. При движении комбайнового комплекса приемник принимает ослабевающий сигнал от сброшенного маяка и таким образом определяет дальность до него. Значения расстояний, соответствующие определенному уровню сигнала, являются техническими характеристиками аппаратуры, настраиваемыми под конкретные условия эксплуатации и определяемые при калибровке.A method is known for positioning a mining combine complex in a mine working using BLE technology (Shevelev I.M., Zatonskiy A.V. Solution to the problem of odometric positioning of a mining and extraction machine underground using the Kalman filter // Bulletin of SUSU. Series "Computer technologies, control, radio electronics". 2021. Vol. 21. No. 2. Pp. 123-135. DOI: 10.14529/ctcr210212). A signal receiver is installed in the center of the rear of the transfer hopper at a given height from the support surface, and just below it there is a device that drops an iBeacon beacon when the receiver moves a given distance from the previously dropped beacon. When the combine complex moves, the receiver receives a weakening signal from the dropped beacon and thus determines the range to it. The distance values corresponding to a certain signal level are technical characteristics of the equipment, adjusted for specific operating conditions and determined during calibration.
К недостаткам аналога относятся необходимость размещения на борту комбайнового комплекса большого количества маяков, относительно которых выполняется позиционирование, высокая погрешность, обусловленная рассеянием маяков при их сбросе и изменением условий среды, в которой проводилась калибровка, а также влияние электропроводности грунта на уровень сигнала и сложность применения данного подхода для навигации в двухмерном и в трехмерном пространстве.The disadvantages of the analogue include the need to place a large number of beacons on board the combine complex, relative to which positioning is performed, high error caused by the scattering of beacons during their release and changes in the environmental conditions in which the calibration was carried out, as well as the influence of the electrical conductivity of the soil on the signal level and the complexity of using this approach for navigation in two-dimensional and three-dimensional space.
Также известен способ позиционирования в протяженных сооружениях типа туннелей, горных выработок, шахт и рудников (RU пат. №2797240 «Способ навигации и измерения расстояний в протяженных объектах») на основе фазовой радиодальнометрии, в котором определяется расстояние от стационарного приемопередатчика до подвижного приемопередатчика путем радиоизмерения разности фаз опорного передаваемого и принимаемого радиосигнала, отличающийся тем, что в качестве среды распространения радиосигнала используются продольные проводники, проложенные в протяженном объекте, а стационарные и подвижные приемопередатчики возбуждают электромагнитную волну вдоль этих проводников, стационарный и подвижный приемопередатчики работают на передачу и прием, попеременно излучая и принимая гармонический сигнал, при этом постоянно осуществляется синхронизация по частоте и фазе одного из приемопередатчиков с другим вне зависимости от передачи или приема сообщения. Для исключения неоднозначности при измерении расстояний фазовым методом между приемопередатчиками при удалении на расстояние более половины длины волны используемого гармонического радиосигнала используются маломощные радиомаяки с известными координатами и передающие свой уникальный номер или свои координаты, а подвижные приемопередатчики считывают сигналы этих радиомаяков и передают на стационарный приемопередатчик информацию о последнем считанном радиомаяке для вычисления своей текущей координаты.Also known is a method for positioning in extended structures such as tunnels, mine workings, shafts and pits (RU patent No. 2797240 "Method of navigation and distance measurement in extended objects") based on phase radio ranging, in which the distance from a stationary transceiver to a mobile transceiver is determined by radio measurement of the phase difference of the reference transmitted and received radio signal, characterized in that longitudinal conductors laid in the extended object are used as the radio signal propagation medium, and the stationary and mobile transceivers excite an electromagnetic wave along these conductors, the stationary and mobile transceivers operate for transmission and reception, alternately emitting and receiving a harmonic signal, while synchronization in frequency and phase of one of the transceivers with the other is constantly carried out regardless of the transmission or reception of the message. To eliminate ambiguity when measuring distances using the phase method between transceivers at a distance greater than half the wavelength of the harmonic radio signal used, low-power radio beacons with known coordinates are used and transmit their unique number or their coordinates, and mobile transceivers read the signals of these radio beacons and transmit information about the last read radio beacon to the stationary transceiver to calculate their current coordinates.
Недостатки аналога заключаются в том, что радиосигналы распространяются только через продольные проводники, в неоднозначности измерений, для устранения которой приходится вдоль навигационной трассы дополнительно размещать маяки, в невозможности измерения скорости и ускорения подвижных приемопередатчиков, а также в сложной конструкции аппаратуры, трудоемкой калибровке и настройке системы, сложности применения данного подхода для навигации в двухмерном и в трехмерном пространстве.The disadvantages of the analogue are that radio signals are propagated only through longitudinal conductors, in the ambiguity of measurements, to eliminate which it is necessary to additionally place beacons along the navigation route, in the impossibility of measuring the speed and acceleration of mobile transceivers, as well as in the complex design of the equipment, labor-intensive calibration and adjustment of the system, the difficulty of using this approach for navigation in two-dimensional and three-dimensional space.
Также известен частотный способ измерения дальности (RU пат. №2765727 «Частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой»), при котором формируют радиосигнал с линейной частотной модуляцией по пилообразному закону и излучают его в направлении цели, принимают отраженный целью радиосигнал, измеряют частоту отраженного радиосигнала, формируют сигнал на частоте биений, равной разности между частотой радиосигнала, излучаемого в данный момент времени, и частотой радиосигнала в момент времени, предшествующий настоящему на время задержки, определяют значение частоты биений, на основе измеренного значения частоты биений принимают решение о дальности до цели. Точное измерение частоты биений осуществляют с помощью голографической измерительной системы на основе голографического интерферометра, реализующего пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии. Спектральный анализ сигнала на частоте биений осуществляют по параметрам пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в формируемой интерферограмме, образующейся при направлении сформированного когерентного светового потока со сферическим волновым фронтом на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра. Пространственно-спектральное распределение интенсивности оптического поля в плоскости сформированной интерферограммы изменяется в соответствии с колебаниями электрического сигнала на частоте биений, модулирующего фазу или кривизну волнового фронта одного из двух интерферирующих световых потоков. По результатам анализа параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в сформированной интерферограмме определяется значение частоты биений.Also known is a frequency method for measuring range (RU patent No. 2765727 "Frequency method for measuring range with measurement of beat frequency by a holographic measuring system"), in which a radio signal with linear frequency modulation according to a sawtooth law is formed and emitted in the direction of the target, the radio signal reflected by the target is received, the frequency of the reflected radio signal is measured, a signal is formed at a beat frequency equal to the difference between the frequency of the radio signal emitted at a given moment in time and the frequency of the radio signal at a moment in time preceding the present moment by the delay time, the beat frequency value is determined, and a decision on the range to the target is made based on the measured beat frequency value. Accurate measurement of the beat frequency is carried out using a holographic measuring system based on a holographic interferometer implementing the spatial-spectral method of holographic interferometry. Spectral analysis of the signal at the beat frequency is carried out according to the parameters of the spatial-spectral distribution of the optical field intensity in the formed interferogram formed when directing the formed coherent light flux with a spherical wave front to the reflective-transmissive hologram of the holographic interferometer. The spatial-spectral distribution of the optical field intensity in the plane of the formed interferogram changes in accordance with the oscillations of the electrical signal at the beat frequency, modulating the phase or curvature of the wave front of one of the two interfering light fluxes. Based on the results of the analysis of the parameters of the spatial-spectral distribution of the optical field intensity in the formed interferogram, the beat frequency value is determined.
Данное изобретение по технической сущности и достигаемому результату наиболее близко к предложенному техническому решению и поэтому принято в качестве его прототипа.This invention, in terms of its technical essence and the result achieved, is closest to the proposed technical solution and is therefore accepted as its prototype.
Недостатками указанного прототипа являются сложная конструкция аппаратуры и связанная с этим низкая надежность, чувствительность интерферометра к механическим воздействиям и вибрациям, а также высокая вероятность загрязнения оптических поверхностей в условиях атмосферы подземных и промышленных сооружений, что приведет к потере работоспособности.The disadvantages of the specified prototype are the complex design of the equipment and the associated low reliability, the sensitivity of the interferometer to mechanical impacts and vibrations, as well as the high probability of contamination of optical surfaces in the atmospheric conditions of underground and industrial structures, which will lead to loss of functionality.
Задачей разработки является развитие интерференционного метода определения расстояния и создание на его основе способа и системы для навигации и измерения параметров движения подвижного объекта, обеспечивающих определение дальности, скорости и ускорения подвижного радиопередатчика, не требующих размещения вдоль навигационной трассы дополнительных радиомаяков, а также для навигации в двухмерном и трехмерном пространстве без использования существующих радионавигационных систем, повышение надежности и упрощение конструкции аппаратуры.The objective of the development is to develop the interference method for determining distance and to create on its basis a method and system for navigation and measuring the parameters of movement of a moving object, ensuring the determination of the range, speed and acceleration of a mobile radio transmitter, without requiring the placement of additional radio beacons along the navigation route, as well as for navigation in two-dimensional and three-dimensional space without the use of existing radio navigation systems, increasing reliability and simplifying the design of the equipment.
Решением поставленной задачи является способ навигации и измерения параметров движения подвижного объекта, в котором для измерения дальности между стационарными и подвижными приемниками и передатчиками используются несущие колебания на основной частоте и/или ее гармониках с частотной модуляцией и монохроматические колебания, при этом на вновь проложенной навигационной трассе в протяженном сооружении или после изменения условий распространения электромагнитных волн на существующей навигационной трассе выполняется калибровка системы, заключающаяся в том, что приемник и передатчик разносятся на максимальную дальность, передатчик включается на излучение и определяется момент времени, когда частота биений максимальна, при которой амплитуда принимаемого сигнала на выходе частотного детектора также максимальна, что соответствует максимальной дальности измерений, а возникающая частота биений фиксируется запоминающим устройством в приемнике, после чего дальность уменьшается на фиксированный шаг, значение которого определяется мгновенным значением частоты излучения передатчика, соответствующее значение частоты биений также фиксируется запоминающим устройством в приемнике, а уменьшение дальности выполняется, пока частота биений не станет равной нулю, что свидетельствует о нахождении приемника или передатчика в начале навигационной трассы. Для увеличения дальности измерений и длины навигационной трассы в протяженных сооружениях с ломаной или кривой осевой линией дополнительно может использоваться направляющая линия, служащая пассивным или активным ретранслятором сигналов, в т.ч. с уникальными признаками участка навигационной трассы.The solution to the problem is a method for navigation and measuring the parameters of motion of a moving object, in which carrier oscillations at the fundamental frequency and/or its harmonics with frequency modulation and monochromatic oscillations are used to measure the range between stationary and mobile receivers and transmitters, wherein on a newly laid navigation route in an extended structure or after a change in the propagation conditions of electromagnetic waves on an existing navigation route, the system is calibrated, which consists in the fact that the receiver and transmitter are separated by a maximum range, the transmitter is switched on for radiation and the moment in time is determined when the beat frequency is maximum, at which the amplitude of the received signal at the output of the frequency detector is also maximum, which corresponds to the maximum measurement range, and the resulting beat frequency is recorded by a memory device in the receiver, after which the range is reduced by a fixed step, the value of which is determined by the instantaneous value of the transmitter radiation frequency, the corresponding value of the beat frequency is also recorded by a memory device in the receiver, and the range is reduced until the beat frequency becomes equal to zero, which indicates that the receiver or transmitter is located at the beginning of the navigation route. To increase the measurement range and the length of the navigation route in extended structures with a broken or curved axial line, a guide line can be additionally used, serving as a passive or active signal repeater, including with unique features of the section of the navigation route.
Особенность представленной системы навигации и измерения параметров движения подвижного объекта заключается в том, что передатчик включает в себя источник монохроматических электромагнитных колебаний либо со ступенчато или линейно изменяющейся частотой и антенно-фидерное устройство, а приемник имеет в своем составе антенно-фидерное устройство, имеющее в своем составе узкополосный фильтр для подавления внешних помех с полосой пропускания, обеспечивающей прием электромагнитного колебания от источника. Также в систему входят: смеситель для выделения фазы принятого радиосигнала или мгновенного значения частоты биения, пропорциональных дальности между приемником и передатчиком с сетевой синхронизацией; вычислительный блок для определения дальности по фазе радиосигнала или частоте биений и номера участка навигационной трассы по числу максимальных биений или линейно нарастающих импульсов в спектрограмме, мгновенной скорости - по частотному сдвигу частоты биений в спектре, мгновенного ускорения - по ширине спектра частоты биений в спектрограмме, средней скорости - по углу наклона нарастающего фронта импульсов в спектрограмме биения или характеру изменения интервалов между импульсами биений (ТБ); интерфейс выдачи данных, по которому измеренные параметры передаются потребителю в координатор робота, на устройство визуального отображения (дисплей или индикатор) или преобразованный сигнал в звуковом диапазоне частот с выхода частотного детектора на головные телефоны оператора. Для увеличения дальности измерений в протяженных сооружениях с ломаной или кривой продольной осью дополнительно может использоваться направляющая линия в виде протяженного проводника, а при наличии нескольких пересекающихся навигационных трасс каждая направляющая линия может иметь свои уникальные признаки. Дополнительное снижение погрешности измерения дальности до объекта может быть осуществлено посредством применения нониусного метода измерения расстояния в пределах шага навигационной трассы заявленным в изобретении способом путем сложения двух измерений. При этом количество делений нониуса может отличаться от количества шагов навигационной трассы как в большую, так и в меньшую стороны и определяет цену деления шкалы нониуса. При нониусном измерении для обеспечения совпадения частоты биения с соответствующим значением частоты биения, зафиксированным запоминающим устройством, скорость измерения частоты источника электромагнитного колебания может изменяться.The peculiarity of the presented system of navigation and measurement of parameters of motion of a moving object is that the transmitter includes a source of monochromatic electromagnetic oscillations either with a stepwise or linearly changing frequency and an antenna-feeder device, and the receiver has an antenna-feeder device in its composition, having in its composition a narrow-band filter for suppression of external interference with a passband, providing reception of electromagnetic oscillation from the source. Also included in the system are: a mixer for separation of the phase of the received radio signal or the instantaneous value of the beat frequency, proportional to the range between the receiver and the transmitter with network synchronization; a computing unit for determining the range by the phase of the radio signal or the beat frequency and the number of the section of the navigation route by the number of maximum beats or linearly increasing pulses in the spectrogram, the instantaneous speed - by the frequency shift of the beat frequency in the spectrum, the instantaneous acceleration - by the width of the spectrum of the beat frequency in the spectrogram, the average speed - by the angle of inclination of the rising front of pulses in the beat spectrogram or the nature of the change in the intervals between beat pulses ( TB ); a data output interface through which the measured parameters are transmitted to the consumer in the robot coordinator, to a visual display device (display or indicator) or a converted signal in the audio frequency range from the output of the frequency detector to the operator's headphones. To increase the measurement range in extended structures with a broken or curved longitudinal axis, a guide line in the form of an extended conductor can be additionally used, and in the presence of several intersecting navigation routes, each guide line can have its own unique features. An additional reduction in the error in measuring the distance to an object can be achieved by using the vernier method of measuring the distance within the step of the navigation route by the method claimed in the invention by adding two measurements. In this case, the number of divisions of the vernier can differ from the number of steps of the navigation route both upward and downward and determines the division value of the vernier scale. During vernier measurement, in order to ensure that the beat frequency matches the corresponding beat frequency value recorded by the memory device, the frequency measurement rate of the electromagnetic oscillation source can be changed.
В качестве источника электромагнитных колебаний со ступенчато или линейно изменяющейся частотой может быть использован генератор изменяющегося по определенному закону частоты сигнала либо цифровой синтезатор частоты. Для наилучшего прослушивания качества работы навигационной системы через головные телефоны оператора девиация частоты источника электромагнитных колебаний (Δƒ) может находиться в диапазоне средних частот диапазона слышимости.A generator of a signal changing according to a certain frequency law or a digital frequency synthesizer can be used as a source of electromagnetic oscillations with a stepwise or linearly changing frequency. For the best listening to the quality of the navigation system through the operator's headphones, the frequency deviation of the electromagnetic oscillation source (Δƒ) can be in the range of medium frequencies of the audible range.
В протяженных сооружениях типа горных выработок и тоннелей метро для увеличения дальности измерений в рабочем диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц целесообразно использовать направляющую линию типа протяженного проводника. При этом направляющая линия может выступать как пассивным, так и активным ретранслятором сигналов.In extended structures such as mine workings and subway tunnels, it is advisable to use a guide line of the extended conductor type to increase the measurement range in the operating frequency range from 100 kHz to 10 MHz. In this case, the guide line can act as both a passive and an active signal repeater.
В протяженных сооружениях типа горных выработок и тоннелей метро для увеличения скорости передачи навигационных данных в качестве направляющей линии могут быть применены неэкранированные конструкции витопарных кабелей, применяемых в телекоммуникациях и компьютерных сетях.In long structures such as mine workings and subway tunnels, unshielded twisted-pair cables used in telecommunications and computer networks can be used as a guide line to increase the speed of transmission of navigation data.
Если направляющая линия работает в режиме стоячей волны, то она обеспечивает индукционную связь между передатчиком и приемником, являясь пассивным ретранслятором. В режиме бегущей волны направляющая линия становится активным ретранслятором, обеспечивающим радиоволновую связь между передатчиком и приемником, что позволяет дополнительно увеличить дальность действия навигационной системы.If the guide line operates in the standing wave mode, it provides inductive communication between the transmitter and receiver, being a passive repeater. In the traveling wave mode, the guide line becomes an active repeater, providing radio wave communication between the transmitter and receiver, which allows for an additional increase in the range of the navigation system.
Для работы в диапазоне частот более 10 МГц направляющая линия не требуется. Но использование направляющей линии также позволяет ввести уникальные признаки навигационной трассы (ID) и увеличить скорость передачи данных, что актуально, например, при навигации по нескольким пересекающимся туннелям и увеличении количества потребителей навигационной информации соответственно.For operation in the frequency range above 10 MHz, a guide line is not required. However, using a guide line also allows for the introduction of unique navigation route (ID) features and an increase in data transfer rate, which is relevant, for example, when navigating through several intersecting tunnels and increasing the number of navigation information consumers accordingly.
Так как система является низкочастотной, то она подвержена влиянию низкочастотных помех, создаваемых работающим электрооборудованием (индустриальным помехам), находящимся на трассе, и не восприимчива к высокочастотным помехам. Для снижения влияния индустриальных помех на качество работы системы служат узкополосные фильтры, которые конструктивно входят в состав антенно-фидерного устройства передатчика и приемника.Since the system is low-frequency, it is subject to the influence of low-frequency interference created by operating electrical equipment (industrial interference) located on the route, and is not susceptible to high-frequency interference. Narrow-band filters, which are structurally included in the antenna-feeder device of the transmitter and receiver, are used to reduce the influence of industrial interference on the quality of the system.
Перед началом использования навигационной трассы в протяженном сооружении обязательно должна выполняться калибровка системы, т.к. тоннель или шахта представляет собой волновод, геометрические характеристики которого существенно влияют на распространение радиоволн так же, как и находящиеся там предметы и источники электромагнитного излучения. Соответственно, калибровка должна повторно выполняться после любого изменения геометрических характеристик сооружения и изменения состава находящихся в нем предметов и источников электромагнитного излучения.Before using the navigation route in an extended structure, the system must be calibrated, since a tunnel or shaft is a waveguide, the geometric characteristics of which significantly affect the propagation of radio waves, as well as the objects and sources of electromagnetic radiation located there. Accordingly, calibration must be repeated after any change in the geometric characteristics of the structure and a change in the composition of objects and sources of electromagnetic radiation located in it.
На фиг.1 представлена структурная схема системы навигации и измерения параметров движения подвижного объекта, где: 1 - передатчик; 2 - источник электромагнитных колебаний; 3, 5 - антенно-фидерные устройства; 4 - приемник; 6 - смеситель; 7 - частотный детектор; 8 -запоминающее устройство; 9 - вычислительный блок; 10 - интерфейс выдачи данных; 11 - направляющая линия; 12 - протяженное сооружение.Fig. 1 shows a structural diagram of a system for navigation and measurement of motion parameters of a moving object, where: 1 - transmitter; 2 - source of electromagnetic oscillations; 3, 5 - antenna-feeder devices; 4 - receiver; 6 - mixer; 7 - frequency detector; 8 - storage device; 9 - computing unit; 10 - data output interface; 11 - guide line; 12 - extended structure.
Навигация и измерение параметров движения подвижного объекта осуществляются следующим образом. Перед началом эксплуатации производится калибровка системы, заключающаяся в том, что приемник 4 и передатчик 1 разносятся на максимальную дальность, источник электромагнитных колебаний 2 включается на излучение, для передачи энергии которого в окружающее пространство служит антенно-фидерное устройство 3, и определяется выделяемая смесителем 6 максимальная частота биения, при которой сигнал на выходе частотного детектора 7 также максимален, что соответствует максимальной дальности измерений, а возникающая частота биений фиксируется запоминающим устройством 8 в приемнике 4, получающем радиосигнал, который в окружающем пространстве улавливает антенно-фидерное устройство 5, после чего дальность уменьшается на фиксированный шаг, значение которого определяется мгновенным значением частоты излучения, создаваемого источником электромагнитных колебаний 2 в передатчике 1, соответствующее значение мгновенной частоты биений также фиксируется запоминающим устройством 8 приемника 4. Дальность, скорость, ускорение и номер участка навигационной трассы определяются вычислительным блоком 9, передающим измеренные параметры потребителю с помощью интерфейса выдачи данных 10. Для увеличения дальности измерений в протяженных сооружениях 12 дополнительно может использоваться направляющая линия 11, играющая роль пассивного или активного ретранслятора сигналов.Navigation and measurement of the motion parameters of a moving object are carried out as follows. Before the start of operation, the system is calibrated, which consists in the fact that the receiver 4 and the transmitter 1 are separated by the maximum range, the source of electromagnetic oscillations 2 is switched on for radiation, for the transmission of energy of which into the surrounding space the antenna-feeder device 3 serves, and the maximum beat frequency allocated by the mixer 6 is determined, at which the signal at the output of the frequency detector 7 is also maximum, which corresponds to the maximum measurement range, and the resulting beat frequency is recorded by the memory device 8 in the receiver 4, which receives the radio signal, which in the surrounding space is captured by the antenna-feeder device 5, after which the range is reduced by a fixed step, the value of which is determined by the instantaneous value of the radiation frequency created by the source of electromagnetic oscillations 2 in the transmitter 1, the corresponding value of the instantaneous beat frequency is also recorded by the memory device 8 of the receiver 4. The range, speed, acceleration and section number of the navigation route are determined by the computing unit 9, which transmits the measured parameters to the consumer using the data output interface 10. To increase the measurement range in extended structures 12, a guide line 11 can be additionally used, which plays the role of a passive or active signal repeater.
При необходимости система может быть дополнена вспомогательными узкополосными фильтрами, направляющей линией, спектроанализатором, индикаторным устройством для оператора и координатором для робота.If necessary, the system can be supplemented with auxiliary narrow-band filters, a guide line, a spectrum analyzer, an indicator device for the operator and a coordinator for the robot.
Функционирование системы описывается следующим образом.The operation of the system is described as follows.
Навигационная трасса схематично изображена на фиг.2 в виде отрезка АВ и является главной измерительной шкалой m. Девиация частоты электромагнитного колебания в пределах отрезка равнаThe navigation route is schematically depicted in Fig. 2 as a segment AB and is the main measuring scale m. The frequency deviation of the electromagnetic oscillation within the segment is equal to
при этом частота биений в точке А составляет в точке В она равна а если калибровка навигационной радиотрассы осуществляется с фиксированным шагом Δr, то в этом случае будут выполняться следующие соотношения.in this case the beat frequency at point A is at point B it is equal and if the calibration of the navigation radio path is carried out with a fixed step Δr, then in this case the following relations will be fulfilled.
Количество дискретных фильтров в приемнике, численно равное отношению длины навигационной трассы АВ, определяемой Δƒ - девиацией частоты источника электромагнитных колебаний, к длине фиксированного шага Δr, определяемой полосой пропускания дискретного фильтра Δƒi, в навигационной системе определяется выражениемThe number of discrete filters in the receiver, numerically equal to the ratio of the length of the navigation path AB, determined by Δƒ - the frequency deviation of the source of electromagnetic oscillations, to the length of the fixed step Δr, determined by the passband of the discrete filter Δƒ i , in the navigation system is determined by the expression
Дальность до объекта, измеренная по главной шкале, равнаThe range to the object, measured on the main scale, is equal to
При дополнительном применении нониусного метода измерения дальность до объекта определяется выражениемWith the additional use of the vernier method of measurement, the distance to the object is determined by the expression
где - значение мгновенной частоты биения нониусной шкалы измерения, совпавшее с мгновенной частотой биения главной шкалы, записанное в запоминающее устройство; - количество дискретных фильтров при нониусном измерении или делений в нониусной шкале между - девиация частоты электромагнитного колебания в пределах нониусной шкалы измерения; - порядковый номер фильтра или участка нониусной шкалы, в которых амплитуда сигнала максимальна и совпадает с мгновенной частотой биения главной шкалы; - период модуляции сигнала при нониусном измерении; - цена деления одного нониуса, равная отношениюWhere - the value of the instantaneous beat frequency of the vernier measurement scale, which coincides with the instantaneous beat frequency of the main scale, recorded in the storage device; - the number of discrete filters in vernier measurement or divisions in the vernier scale between - deviation of the frequency of electromagnetic oscillation within the vernier measurement scale; - the serial number of the filter or section of the vernier scale in which the signal amplitude is maximum and coincides with the instantaneous beat frequency of the main scale; - signal modulation period during vernier measurement; - the division value of one vernier, equal to the ratio
Изменение частоты модуляции сигнала для случаев равномерного и неравномерного движения объекта по навигационной трассе А-В показано на фиг.3. Прямая 1 соответствует равномерному движению, а ломаная линия 2 -неравномерному движению, т.е. с разными средними скоростями движения объекта. В данном примере средняя скорость объекта при неравномерном движении на участке навигационной трассы равна мгновенной скорости при равномерном движении объекта на всей трассе.The change in the signal modulation frequency for cases of uniform and non-uniform movement of an object along the navigation route A-B is shown in Fig. 3. Straight line 1 corresponds to uniform movement, and broken line 2 to non-uniform movement, i.e. with different average speeds of movement of the object. In this example, the average speed of the object is in case of uneven movement on a section of the navigation route equal to instantaneous velocity with uniform movement of the object along the entire route.
При подключении сигнального выхода одного из радиотрактов передатчика к направляющей линии или размещении передатчика вблизи нее и улавливании сигнала другими приемниками система выполняет функцию дальномера. Для эффективной работы дальномера направляющая линия должна быть настроена на режим стоячей волны. Расстояние между приемником и передатчиком будет соответствовать фазе улавливаемого приемником сигнала при использовании монохроматического источника электромагнитного колебания и частоте биения - при источнике колебаний со ступенчато или линейно изменяющейся частотой. Для случаев, когда фаза нерегулярна, вводится калибровочный коэффициент в вычислительный блок. Нерегулярность фазы возникает, как правило, из-за изменения электрических свойств участка навигационной трассы.When connecting the signal output of one of the transmitter radio paths to the guide line or placing the transmitter near it and capturing the signal by other receivers, the system performs the function of a range finder. For the range finder to work effectively, the guide line must be set to the standing wave mode. The distance between the receiver and the transmitter will correspond to the phase of the signal captured by the receiver when using a monochromatic source of electromagnetic oscillation and the beat frequency - when using an oscillation source with a step or linearly changing frequency. For cases where the phase is irregular, a calibration coefficient is introduced into the computing unit. Phase irregularity usually occurs due to changes in the electrical properties of a section of the navigation route.
Система может быть реализована как с использованием аналоговой, так и с использованием цифровой схемотехники, что будет определять вид кривых, показанных на фиг.3.The system can be implemented using either analog or digital circuitry, which will determine the type of curves shown in Fig. 3.
На фиг.4 показан примерный вид визуального интерфейса, отображаемого на дисплее оператора, который включает индикатор уникального признака подвижного объекта (ID) 1, индикатор уникального признака навигационной трассы (ID) 2, индикатор дальности 3, индикатор дальности при нониусном измерении 4, индикатор ускорения 5, шкалу скорости 6, индикатор мгновенной скорости 7, индикатор средней скорости 8, нониусную шкалу 9, индикатор включения нониусной шкалы 10, красный круг 11, зеленый круг 12.Fig. 4 shows an exemplary view of the visual interface displayed on the operator's display, which includes a unique feature indicator of a moving object (ID) 1, a unique feature indicator of a navigation route (ID) 2, a range indicator 3, a range indicator during vernier measurement 4, an acceleration indicator 5, a speed scale 6, an instantaneous speed indicator 7, an average speed indicator 8, a vernier scale 9, a vernier scale on indicator 10, a red circle 11, and a green circle 12.
Красный и зеленый круги на визуальном интерфейсе служат для отображения совпадения частоты биения основной шкалы и частоты биения нониусной шкалы. Красный круг загорается при условии , что соответствует случаю низкой точности измерений. Зеленый круг предназначен для индикации ситуации, соответствующей условию , в которой обеспечиваются высокоточные измерения.The red and green circles on the visual interface are used to display the coincidence of the main scale beat frequency and the vernier scale beat frequency. The red circle lights up when , which corresponds to the case of low measurement accuracy. The green circle is intended to indicate the situation corresponding to the condition , which provides highly accurate measurements.
В случае одномерной навигации в состав системы входят один приемопередатчик и один передатчик. Для двумерной навигации на плоскости необходимы два приемопередатчика и один передатчик. Навигация в трехмерном пространстве потребует наличия трех приемопередатчиков и одного передатчика.In the case of one-dimensional navigation, the system consists of one transceiver and one transmitter. For two-dimensional navigation on a plane, two transceivers and one transmitter are required. Navigation in three-dimensional space requires three transceivers and one transmitter.
Если с помощью счетчика импульсов производить подсчет числа максимумов в спектрограмме частот биения от начала первого участка навигационной трассы, то можно построить дальнодействующую систему, в которой отсутствует неоднозначность измерений по дальности. Но из-за наличия большого количества неоднородностей в подземном сооружении такая система лучше подходит для использования на открытой местности и в свободном пространстве.If a pulse counter is used to count the number of maxima in the beat frequency spectrogram from the beginning of the first section of the navigation route, a long-range system can be constructed in which there is no ambiguity in range measurements. However, due to the presence of a large number of inhomogeneities in the underground structure, such a system is better suited for use in open terrain and free space.
Подобная система может быть использована для высокоточной посадки космических аппаратов на поверхность планет, для чего на посадочной площадке устанавливается передатчик, а на борту космического аппарата (посадочного модуля) размещается приемопередатчик или наоборот на посадочной площадке - приемопередатчик, а на борту посадочного модуля - передатчик.A similar system can be used for high-precision landing of spacecraft on the surface of planets, for which a transmitter is installed on the landing pad, and a transceiver is placed on board the spacecraft (landing module), or vice versa - a transceiver on the landing pad, and a transmitter on board the landing module.
При использовании нескольких передатчиков в системе используются разные частоты, способы кодирования и модуляции сигнала для идентификации каждого из них.When using multiple transmitters in a system, different frequencies, coding and signal modulation methods are used to identify each one.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции аппаратуры, отсутствие необходимости в использовании дополнительных радиомаяков, независимость от наличия пыли в атмосфере и грязи на опорной поверхности движителя (вызывающей пробуксовку), реализация многоканальности в радиолинии, увеличение отношения сигнал/шум, возможность работы вместе с направляющей линией в двух режимах и без нее, улучшение электромагнитной совместимости, упрощение операций настройки и калибровки системы в зоне ее действия.The technical result of the invention is a simplification of the design of the equipment, no need to use additional radio beacons, independence from the presence of dust in the atmosphere and dirt on the support surface of the propeller (causing slippage), implementation of multi-channel in the radio line, an increase in the signal-to-noise ratio, the ability to work together with a guide line in two modes and without it, improved electromagnetic compatibility, simplification of the operations of setting up and calibrating the system in its area of operation.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2843565C1 true RU2843565C1 (en) | 2025-07-15 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009151699A1 (en) * | 2008-03-26 | 2009-12-17 | Raytheon Utd Inc. | Positioning, detection and communication system and method |
| RU2597007C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (ОАО "АОМЗ") | Phase-difference method of locating navigation object |
| RU2604652C2 (en) * | 2015-04-20 | 2016-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Local phase difference-range-finding radio navigation system |
| RU2657016C1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-06-08 | Игорь Борисович Широков | Method of measuring range |
| RU2676862C1 (en) * | 2018-01-15 | 2019-01-11 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of locating navigation object |
| RU2765727C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-02-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Frequency method for range measurement with the measurement of the beat frequency by a holographic measuring system |
| CN115656924A (en) * | 2022-10-25 | 2023-01-31 | 贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司 | Navigation and positioning system of underground coal mine auxiliary transportation device |
| RU2797240C1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-06-01 | Дмитрий Витальевич Федосов | Method of navigation and distance measurement in extended objects |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009151699A1 (en) * | 2008-03-26 | 2009-12-17 | Raytheon Utd Inc. | Positioning, detection and communication system and method |
| RU2604652C2 (en) * | 2015-04-20 | 2016-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Local phase difference-range-finding radio navigation system |
| RU2597007C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (ОАО "АОМЗ") | Phase-difference method of locating navigation object |
| RU2657016C1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-06-08 | Игорь Борисович Широков | Method of measuring range |
| RU2676862C1 (en) * | 2018-01-15 | 2019-01-11 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of locating navigation object |
| RU2765727C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-02-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Frequency method for range measurement with the measurement of the beat frequency by a holographic measuring system |
| RU2797240C1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-06-01 | Дмитрий Витальевич Федосов | Method of navigation and distance measurement in extended objects |
| CN115656924A (en) * | 2022-10-25 | 2023-01-31 | 贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司 | Navigation and positioning system of underground coal mine auxiliary transportation device |
| RU2814649C1 (en) * | 2023-03-29 | 2024-03-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" (АО "НИИМА "Прогресс") | Method for navigating transport and technological machine via single-wire radio transmission line |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20020126046A1 (en) | Instantaneous radiopositioning using signals of opportunity | |
| KR101457226B1 (en) | Positioning system and method | |
| US3680958A (en) | Survey apparatus | |
| CN108474835A (en) | Indoor positioning and tracing system | |
| RU2843565C1 (en) | Method and system for navigation and measurement of motion parameters of mobile object | |
| US3254341A (en) | Systems for calculating the coordinates of a point at the surface of the earth | |
| RU2092355C1 (en) | Device to control train traffic by means of artificial earth satellites | |
| US4350984A (en) | Method of position fixing active sources utilizing differential doppler | |
| RU2305044C2 (en) | Device for controlling trains traffic by means of artificial earth satellites | |
| US2598290A (en) | Area identification system | |
| CN203673062U (en) | Device for achieving high-precision tracking and positioning through underground scanning satellites | |
| JPH0694456A (en) | Sounding system by gps kinematic positioning method | |
| RU2713633C1 (en) | Method of controlling geometry of large-size objects | |
| RU2278048C1 (en) | Method of and device for combined radio communication and radio navigation for use in railway transport | |
| RU2492504C1 (en) | Method of determining non-radial projection of target velocity vector | |
| JP2012039285A (en) | Optical communication device and optical communication method | |
| RU2546665C2 (en) | Apparatus for high-precision positioning of mobile objects | |
| RU2755402C1 (en) | Method for determining the location of vessels | |
| RU2797240C1 (en) | Method of navigation and distance measurement in extended objects | |
| RU2795999C1 (en) | Ship navigation system | |
| RU2454348C2 (en) | Device to control railway traffic by means of artificial earth satellites | |
| KR102704969B1 (en) | A system and method for providing radio wave quality | |
| SU1659703A1 (en) | Three-coordinate radio geodetic system | |
| Moody et al. | Design of an extended-range, three-wavelength distance-measuring instrument | |
| RU2303279C1 (en) | Method and device for sub-surface radiolocation probing |