способ измерения дальности

Формула изобретения

Способ измерения дальности, заключающийся в том, что измеряют время прохождения радиосигнала от точки отсчета до объекта и обратно, причем измерения проводят многократно в точке отсчета и на объекте, количество необходимых измерений определяют исходя из требуемой точности, отличающийся тем, что время прохождения радиосигнала от точки отсчета до объекта и обратно измеряют как разность длительностей первого и второго измеряемых процессов, причем в точке отсчета измеряют длительность первого измеряемого процесса, который включает отправку инициирующего радиосигнала из точки отсчета на объект, прием и распознавание инициирующего радиосигнала на объекте, отправку ответного радиосигнала от объекта в точку отсчета и прием ответного радиосигнала в точке отсчета, причем измерение длительности первого измеряемого процесса производят в единицах длительности периода следования эталонных импульсов первого эталонного процесса, источником которых является первый источник эталонных импульсов, на объекте измеряют длительность второго измеряемого процесса, который включает прием и распознавание инициирующего радиосигнала на объекте, отправку ответного радиосигнала от объекта в точку отсчета, причем измерение длительности второго измеряемого процесса производят в единицах длительности периода следования эталонных импульсов второго эталонного процесса, источником которых является второй источник эталонных импульсов, при этом длительности первого и второго эталонных процессов фиксированы, а их отношение примерно равно единице, результаты измерения длительности второго измеряемого процесса передают от объекта в точку отсчета, в точке отсчета на основании измеренной разности длительностей первого и второго измеряемых процессов рассчитывают дальность между точкой отсчета и объектом, при этом снижение погрешности измерения дальности, исходя из требуемой точности измерений, обеспечивают при помощи повторных измерений времени прохождения радиосигнала от точки отсчета до объекта и обратно в первом и втором измерительных процессах на основе дискретной фильтрации Калмана, реализующей рекурсивную процедуру уточнения первоначально измеренной дальности путем итерационных вычислений.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к методам измерения дальности, основанным на измерении времени прохождения электромагнитных волн.

Уровень техники

Известен способ измерения расстояния с применением радиочастотных сигналов, основанный на измерении времени прохождения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно (европейский патент № ЕР 0098160, кл. G01S 13/78). Недостатком известного способа является невозможность измерения коротких расстояний. Так, при реализации способа на современных электронных компонентах с применением генератора измерительных импульсов, работающего на частоте 25 МГц, период измерительных импульсов составит 40 нс, а минимальная дальность, измеряемая с погрешностью 10%, составит 120 м. Другим недостатком известного способа является отсутствие мер снижения погрешностей измерения.

Также известен способ измерения дальности, основанный на измерении времени распространения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно (патент США №5499199, кл. G01S 13/10). За счет проведения повторных посылок радиочастотного сигнала известный способ позволяет уменьшить ошибку измерения длинных расстояний методом усреднения результатов повторных измерений. Недостатком известного способа является невозможность измерения коротких расстояний.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ измерения дальности, основанный на измерении времени распространения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно (патент Японии №6331733, кл. G01С 3/06). За счет проведения повторных посылок радиочастотного сигнала и последующих вычислений известный способ позволяет минимизировать ошибку измерения длинных расстояний методом наименьших квадратов. Недостатком известного способа является невозможность измерения коротких расстояний.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявляемого способа измерения дальности является: а) обеспечение возможности измерения коротких расстояний; б) обеспечение возможности повышения точности измерения дальности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения дальности, заключающемся в том, что измеряют время прохождения сигнала от точки отсчета до объекта и обратно, причем измерения проводят многократно в точке отсчета и на объекте, а количество необходимых измерений определяют исходя из требуемой точности, для измерения времени в точке отсчета в качестве единицы измерения используют длительность первого эталонного процесса, например период следования импульсов, производимых первым источником импульсов, а для измерения времени на объекте используют длительность второго эталонного процесса, например период следования импульсов, производимых вторым источником импульсов, отношение длительностей первого и второго эталонного процессов приблизительно (но не точно) равно единице. Существование разности длительностей первого и второго эталонного процессов обеспечивает возможность итерационного уточнения результатов измерения дальности за счет проведения повторных измерений времени прохождения сигнала от точки отсчета до объекта и обратно и последующих вычислений, основанных на дискретной фильтрации Калмана.

Результатами измерений, на основе которых строится оценка дальности, являются количества тактов, сгенерированные эталоном частоты на моменты приема и отправки сигналов.

Измерительной сессией называется процесс обмена тремя следующими сигналами между точкой отсчета и объектом;

1) Инициирующий сигнал отправляют из точки отсчета в адрес объекта;

2) Ответный сигнал отправляют от объекта в точку отсчета по результатам распознавания инициирующего сигнала;

3) Информационное сообщение отправляют от объекта в точку отсчета, по результатам приема инициирующего и отправки ответного сигналов; информационное сообщение содержит число, равное промежутку времени от получения инициирующего сигнала объектом до отправки ответного сигнала в единицах длительности второго эталонного процесса.

Измеряемая дальность между точкой отсчета и объектом d связана с моментами n₁...n ₄ следующим соотношением:

, где с - скорость света в вакууме.

Разрешая данное равенство относительно дальности, получаем соотношение:

где - случайная ошибка измерения:

Как следует из характера распределений ₁ и ₂, а также из того обстоятельства, что отношение длительностей первого и второго эталонных процессов t' и t'' приблизительно равно единице, случайная величина будет обладать распределением, близким к треугольному распределению Симпсона.

При заданной дисперсии результатов измерения, полученной после обработки первого измерения D ₁, потребная длительность эталонного процесса t составит:

, , где D - дисперсия случайной ошибки измерения .

Расчеты показывают, что для обеспечения погрешности не более ±1 м с первого измерения необходимо располагать эталонным процессом длительностью не более 7 нс.

Снижение погрешности измерения в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет статистической обработки результатов измерений нескольких сессий при помощи дискретного фильтра Калмана.

Дискретный фильтр Калмана реализует рекурсивную процедуру уточнения первоначально измеренного значения дальности d₁ путем итерационных вычислений по формуле:

,

y n₄-n₁-(n ₃-n₂)-1

, где D_i+1 - дисперсия x _i+1

, t t' t''

x_i+1 - оцениваемая величина, пропорциональная дальности (ее использование упрощает способ расчета), i=1, 2, 3, ..., (N-1);

y _i+1 - результат измерения времени прохождения радиосигнала от точки отсчета до объекта и обратно, выраженный в единицах длительности эталонного процесса, полученный в (i+1)-й измерительной сессии.

Число измерительных сессий N определяется исходя из требуемой дисперсии измерения дальности D_N , достижимой в результате обработки этого количества измерительных сессий

D 1/6, что соответствует дисперсии распределения Симпсона,

откуда:

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого изобретения показывает, что заявляемый способ измерения дальности отличается тем, что время прохождения сигнала от точки отсчета до объекта и обратно измеряют как разность длительностей первого и второго измеряемых процессов, причем в точке отсчета измеряют длительность первого измеряемого процесса, который включает отправку инициирующего сигнала из точки отсчета, прием инициирующего сигнала на объекте, распознавание инициирующего сигнала на объекте, отправку ответного сигнала от объекта в точку отсчета и прием ответного сигнала в точке отсчета, причем измерения длительности первого измеряемого процесса производят в единицах длительности первого эталонного процесса, на объекте измеряют длительность второго измеряемого процесса, который включает прием инициирующего сигнала на объекте, распознавание инициирующего сигнала на объекте, отправку ответного сигнала от объекта в точку отсчета, причем измерения длительности второго измеряемого процесса производят в единицах длительности второго эталонного процесса, результаты измерения длительности второго измеряемого процесса передают от объекта в точку отсчета, длительности первого и второго эталонных процессов фиксированы, а их отношение примерно равно единице, время прохождения контрольного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно уточняют при помощи повторных измерений длительностей первого и второго измеряемых процессов.

Способ измерения дальности включает следующие операции.

1) из точки отсчета в адрес объекта отправляют инициирующий сигнал;

2) по результатам распознавания инициирующего сигнала отправляют ответный сигнал от объекта в точку отсчета;

3) на объекте вычисляют длительность промежутка времени от получения объектом инициирующего сигнала до отправки им ответного сигнала в единицах длительности второго эталонного процесса;

4) результат вычислений длительности промежутка времени от получения объектом инициирующего сигнала до отправки им ответного сигнала в виде числа отправляют в точку отсчета;

5) в точке отсчета вычисляют время прохождения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно как разность длительностей первого и второго измеряемых процессов;

6) повторяют пп.1...5 и уточняют в точке отсчета время прохождения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно до тех пор, пока будет достигнута требуемая точность измерения;

7) в точке отсчета на основании измеренного времени прохождения радиочастотного сигнала от точки отсчета до объекта и обратно рассчитывают дальность между точкой отсчета и объектом.

На чертеже показана временная диаграмма измерительной сессии, где:

T' - дискретная шкала времени в единицах длительности первого эталонного процесса t';

T" - дискретная шкала времени в единицах длительности второго эталонного процесса t";

dz - смещение нуля шкалы Т' относительно нуля шкалы T", выраженное в единицах длительности первого эталонного процесса t';

d - измеряемая дальность между точкой отсчета и объектом;

n ₁ - момент отправки инициирующего сигнала;

n ₂ - момент распознавания инициирующего сигнала;

n ₃ - момент отправки ответного сигнала;

n ₄ - момент распознавания ответного сигнала;

1, 2 - времена ожидания завершения текущего первого и второго эталонных процессов, измеренные в единицах длительности первого и второго эталонных процессов t' и t" соответственно.

Осуществление изобретения

Все необходимые для осуществления заявляемого способа приемопередающие и вычислительные устройства известны из уровня техники и используются в различных отраслях промышленности.

В частности, прием и передача радиосигнала, а также измерение длительностей первого и второго измеряемых процессов могут быть выполнены на основе одноплатного устройства MeshBean компании Мешнетикс, которое предназначено для использования в качестве узла беспроводной сенсорной сети. Одно устройство должно размещаться в точке отсчета, а другое - на объекте. Функции приема и передачи радиосигнала в устройстве MeshBean выполняет интегральная схема СС2420 компании ChipCon, которая представляет собой приемопередатчик с диапазоном рабочих частот 2,4 ГГц, с внешней 2,4-ГГц антенной Comata компании GigaAnt. Автоматическую работу устройства MeshBean и измерение длительностей первого и второго измеряемых процессов обеспечивает интегральная схема микроконтроллера Atmega 128L, выпускаемая компанией Atmel. Источником эталонных процессов в устройстве MeshBean является кварцевый генератор тактовых импульсов частотой 24 МГц. Из-за технологического разброса параметров два разных образца устройства MeshBean содержат источники эталонных процессов с несколько отличающимися длительностями (на практике - доли процента). Для взаимодействия с компьютером устройство MeshBean содержит последовательный СОМ порт.

Устройство, размещенное в точке отсчета, соединено с персональным компьютером для передачи результатов измерений. Статистическая обработка результатов измерений ведется на персональном компьютере с помощью типового программного обеспечения, например MATLAB компании MathWorks, Inc.