способ местоопределения источников радиоизлучений

Формула изобретения

Способ местоопределения источников радиоизлучений, заключающийся в измерении направления на источник радиоизлучений, оценке относительной временной задержки с последующим вычислением координат источника радиоизлучений как точки пересечения линии направления на источник и гиперболической линии положения, отличающийся тем, что все измерения производятся на одном приемном пункте, при этом относительная временная задержка определяется путем оценки расхождения времени прихода сигнала от источника относительно опорной временной шкалы, сформированной на основе оценки временной структуры сигнала источника, местоположение которого полагается известным, а координаты источника радиоизлучений вычисляются как точка пересечения линии направления на источник и гиперболической линии положения, определяемой на основе сравнения оценок расхождения времени прихода сигналов по времени от источников с известным и оцениваемым местоположениеми, функционирующих в единой системе синхронизации цифровыми (дискретными) видами сигналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано в системах местоопределения радиоизлучающих средств УКВ-СВЧ диапазонов, функционирующих в составе радиосети в качестве подчиненных станций и использующих цифровые (дискретные) виды сигналов, в том числе абонентов систем связи с подвижными объектами.

Известны способы местоопределения, которые могут быть использованы для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ), например:

1. Угломерный способ местоопределения [1]. Такой способ применяется при наличии нескольких (не менее двух) разнесенных в пространстве средств радиопеленгования. Местоопределение осуществляется посредством расчета точки пересечения линий пеленгов на ИРИ.

Недостатками указанного способа являются:

- необходимость использования нескольких разнесенных в пространстве радиопеленгаторов;

- для расчета координат ИРИ необходима система связи, связывающая разнесенные в пространстве средства радиопеленгования;

- точность местоопределения существенно зависит от взаимного расположения средств радиопеленгования и контролируемого объекта.

2. Разностно-дальномерный способ [1] основан на измерении разностей расстояний от ИРИ до пункта радиоконтроля. Эти разности находят путем измерения корреляционным методом относительных временных задержек. При этом необходимо как минимум три разнесенных в пространстве пункта радиоконтроля.

Недостатками указанного аналога являются:

- необходимость использования нескольких разнесенных в пространстве радиопеленгаторов усложняет структуру системы местоопределения;

- для функционирования разностно-дальномерной системы местоопределения пункты радиоконтроля должны функционировать в синхронном режиме, вследствие чего точность местоопределения существенно зависит от точности привязки к системе единого времени.

3. В [2] описывается устройство, позволяющее определять местоположение радиопередатчика из одной точки путем измерения пеленга и относительной временной задержки прямого и отраженного от близкорасположенного объекта сигналов, при этом постулируется, что известно расстояние до отражающего объекта. Вместе с тем наличие отражающего объекта не всегда выполняется на практике, что не позволяет говорить о применимости данного подхода к измерению координат источника радиоизлучений с заданной достоверностью, кроме того, на вход приемника может поступать сигнал, отраженный от другого объекта.

Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по технической сущности является способ, совмещающий в себе особенности угломерного и раностно-дальномерного способов местоопределения - угломерно-разностно-дальномерный способ местоопределения [1]. Угломерно-разностно-дальномерный способ основан на измерении углового положения источника и разности расстояний от него до приемных пунктов (пунктов радиоконтроля), т.е. по существу объединяет в себе оба описанных ранее способа. При этом достаточно иметь два приемных пункта, на одном из которых производится определение углового направления (азимута ), а на другом - разность расстояний от пунктов приема до источника ( R). Положение источника определяется как точка пересечения пеленга на ИРИ и поверхности гиперболоида. Дальность до источника определяется по выражению

где D - расстояние между пунктами радиоконтроля.

Функционирование системы местоопределения в соответствии с данным способом происходит следующим образом.

На одном из пунктов радиоконтроля производится измерение направления (азимута) на ИРИ. На этом же пункте измеряется время прихода сигнала от ИРИ. На втором пункте производится только измерение времени прихода сигнала. Причем все измерения должны производиться по команде одного из пунктов радиоконтроля. При этом очевидно, необходимо иметь линии связи между пунктами радиоконтроля.

Учитывая, что, в конечном счете, необходимой информацией является не абсолютное время прихода сигнала, а относительная временная задержка сигнала между пунктами радиоконтроля, то необходимые данные о временной задержке можно получить посредством метода взаимной корреляции. В этом случае также необходима линия связи между пунктами радиоконтроля, причем в этом случае они должны быть жестко засинхронизированы. Расчет собственно координат ИРИ производится на пункте радиоконтроля, на котором измеряется пеленг на ИРИ. При этом направление на ИРИ определяется пеленгом, а дальность определяется согласно (1).

Недостатки способа - прототипа:

1. Необходимость использования не менее двух приемных пунктов для определения координат ИРИ и как следствие необходимость наличия линии связи между разнесенными пунктами.

2. Точность определения координат ИРИ существенно зависит от точности привязки к системе единого времени.

Целью настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего определение координат ИРИ УКВ-СВЧ диапазонов из одного пункта радиоконтроля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе местоопределения ИРИ, включающем в себя измерение направления на ИРИ, измерение разности расстояний от пунктов радиоконтроля до контролируемого ИРИ с последующем вычислением координат как точки пересечения линии пеленга и гиперболической линии положения вместо двух разнесенных в пространстве пунктов радиоконтроля используется только один, выполняющий те же операции (измерение направления на ИРИ и измерение времени прихода сигналов), при этом местоопределение основано на расчете точки пересечения двух линий положения, одна из которых является пеленгом на ИРИ, а вторая определяется на основе сравнения по времени задержек в распространении сигналов от источников, функционирующих в единой системе синхронизации.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием только одного пункта радиоконтроля, при соответствующем техническом решении. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения “новизна”.

Исходными данными (условиями) для реализации способа одноточечного местоопределения являются:

- сигнал ИРИ цифровой (дискретный), в том числе со сложной частотно-временной структурой с четко выраженным периодом;

- местоположение хотя бы одного корреспондента из состава радиосети априорно известно;

- априорно известна (либо доступна оцениванию) частотно-временная структура сигнала (частота (период) следования импульсов тактовой (цикловой) синхронизации).

Сравнение заявляемого способа с другими аналогичными способами показывает необходимость выполнения известных операций - измерение направления на ИРИ и измерение времени прихода сигналов. Однако введение перечисленной совокупности исходных данных позволило отказаться от необходимости использования нескольких приемных пунктов для местоопределения ИРИ УКВ-СВЧ диапазонов, функционирующих в составе радиосети в качестве подчиненных станций и использующих цифровые (дискретные) виды сигналов. При этом вместо разности времени прихода сигналов на несколько разнесенных в пространстве пунктов радиоконтроля используется оценка расхождения времени прихода сигнала и опорной временной шкалы, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию “существенные отличия”.

Заявленный способ поясняется иллюстрациями, представленными на фиг.1-6.

Фиг.1 - Временные диаграммы последовательностей импульсов.

Фиг.2 - Геометрическая интерпретация способа местоопределения из одного пункта.

Фиг.3 - Схема, поясняющая оценку местоположения, при расположении контролируемого ИРИ за радиальной линией положения (источник в I квадранте).

Фиг.4 - Схема, поясняющая оценку местоположения, при расположении контролируемого ИРИ за радиальной линией положения (источник в III квадранте).

Фиг.5 - Схема, поясняющая оценку местоположения, при расположении контролируемого ИРИ внутри радиальной линии положения (источник в I квадранте).

Фиг.6 - Схема, поясняющая оценку местоположения, при расположении контролируемого ИРИ внутри радиальной линии положения (источник в III квадранте).

Местоопределение ИРИ согласно завяленному способу наглядно иллюстрируется фиг.1,2. На фиг.1 представлены временные диаграммы последовательностей импульсов, при этом на фиг.1 приняты следующие обозначения: А - измеритель (пункт радиоконтроля); В - ИРИ 1 с известными координатами; С - ИРИ 2, местоположение которого определяется; U_ИРИ1 (t) - импульсные последовательности сигналов от ИРИ 1, местоположение которого в соответствии с перечнем ограничений априорно известно; t_1В(t_1C) - время начала передачи импульса (посылки, знака, пакета) ИРИ 1 (ИРИ 2) с периодом следования Т_П; t_1А (t_2A) - время регистрации в точке А моментов прихода сигналов от ИРИ 1 и ИРИ 2 соответственно; _В,С - расхождение во времени момента начала передачи сигнала от ИРИ 2 относительно временной шкалы ИРИ 1; _С,А - задержка во времени распространения сигнала от ИРИ 2 до измерителя (А); _1,2 - оценка расхождения во времени момента регистрации сигнала от ИРИ 2 относительно опорной шкалы, сформированной на измерителе (А) по результатам оценки временной структуры сигнала от ИРИ 1.

Ключевым звеном реализации способа является обоснованное допущение о том, что алгоритм функционирования радиосети синхронной передачи данных позволяет интерпретировать сигнал, полученный от ИРИ 2, как сигнал, переданный от ИРИ 1 и условно ретранслированный приемо-передающим устройством ИРИ 2 через неизвестное, но целое число циклов.

То есть должны быть справедливы выражения:

где К - целое число периодов сигнала в интервале времени t_1C-t_1В; с - скорость распространения радиоволн.

В качестве результата, в ходе оценок временных параметров входного потока на измерителе (А) должно быть определено время запаздывания (или опережения) сигнала ( _1,2) от ИРИ 2 (точка С) относительно ближнего маркера опорной временной шкалы, сформированной на измерителе

при условии, что ИРИ 2 (точка С) топологически расположена на расстоянии, превышающем расчетный радиус R (определяемый ИРИ 1, местоположение которого известно) (фиг.2), или

Тогда расстояние

Неопределенность (± ) в выражении (5) показывает, что теоретически уравнение может иметь два корня С и С*, значения которых располагаются по обе стороны от точки D, расположенной на пересечении линии равной дальности с радиусом R и векторе ₂ с началом в точке А и направлением, соответствующим пеленгу на ИРИ 2.

Известно, что фиксированная сумма расстояний до двух заданных фиксированных точек описывается кривой 2-го порядка (эллиптической линией положения). Произведение с _1,2 равно сумме расстояний (BC+CD) (фиг.3). Тогда, если в качестве фиксированных точек выбрать точки В и D, образованные пересечением пеленгов на ИРИ1 и ИРИ2 и окружности радиуса АВ с центром в точке А, то, используя измеренное значение параметра о разности расстояний R_c=BC+CD=с _1,2, можно построить эллипс с фокусами в точках В и D, который описывается уравнением

Пересечение линии пеленга , определенной углом ( _С), и эллиптической линии положения на плоскости определяют две точки, одна из которых соответствует оценке в местоположении ИРИ2 (фиг.3).

В то же время постоянной разности расстояний относительно двух фиксированных точек будет соответствовать гиперболическая линия положения. Тогда, если в качестве фиксированных точек выбрать те же точки В и D (фиг.5), то значение R_p=ВС*-C*D будет соответствовать также величине с _1,2, а по набору представленных данных можно построить гиперболическую линию положения, описываемую уравнением

Пересечение линии пеленга и гиперболической линии положения на плоскости определяют две точки, одна из которых будет соответствовать оценке местоположения ИРИ2 (фиг.3).

Таким образом, заявленный способ местоопределения представляет собой комбинированное использование трех линий положения, две из которых (эллиптическая или гиперболическая) используются в зависимости от взаимного топологического расположения измерителя и пары контролируемых источников на плоскости.

Решающее правило, определяющее выбор математического аппарата для построения линии положения, будет опираться на выполнение неравенства:

- если с _1,2>BD, то значение с _1,2 следует рассматривать как сумму BC+CD (фиг.3), а для расчета координат ИРИ строится эллиптическая линия положения;

- если с _1,2, <BD, то значение с _1,2 следует рассматривать как разность ВС*-C*D (фиг.3), а для расчета координат ИРИ используется гиперболическая линия положения.

Тогда ложными значениями в оценке местоположения ИРИ следует считать: для первого случая - корни, попадающие в область окружности радиуса R=AB; для второго случая - корни уравнений, расположенные вне радиуса R=AB.

На фиг.4 представлена графическая интерпретация для вариантов расположения контролируемого ИРИ в 3-м квадранте системы координат с нулевой отметкой в точке А при АС>АВ, а на фиг.6 - ИРИ в четвертом квадранте при АС<АВ для подтверждения функциональности предложенного способа одноточечной координатометрии при всенаправленном расположении источников контроля относительно измерителя.

Для вывода аналитического выражения, характеризующего зависимость координат ИРИ2 от измеряемых величин, необходимо решить систему уравнений прямой, определяемой пеленгом на ИРИ2, и эллиптической (гиперболической) линии положения ИРИ2 в декартовой системе координат.

Рассмотрим систему уравнений линии пеленга и эллипса (здесь и далее индексы при х, у опустим, подразумевая, что они соответствуют ИРИ2)

где y₀, x₀ - начальные координаты линии пеленга; k=tg ; - угол, определяемый азимутом на ИРИ2; d=BD.

В свою очередь, система уравнений линии пеленга и гиперболической линии положения будет иметь вид

Выбрав за начало координат (непосредственно входящих в выражение для линии пеленга на ИРИ2) точку D (фиг.3, фиг.5) и положив для упрощения выкладок y₀=0, х₀ =0 (необходимо отметить, что такое предположение ни в коей мере не ограничивает общность полученных решений, т.к. фактически сводится к преобразованию систем координат), получим y=kx, тогда

Решения (10)и(11) относительно х имеют вид

Таким образом, получили соотношения для координат точек пересечения линии пеленга с эллиптической (6) и гиперболической (7) линиями положения.

Подставив найденные х в выражение y=kx, получим набор декартовых координат, удовлетворяющих системам (8), (9).

Из выражений (12), (13) следует, что системы (8), (9) имеют четыре различных пары корней и дальнейшее устранение неоднозначности, на первый взгляд, вызывает затруднения. Вместе с тем для (12), (13) можно показать, что точки пересечения линии пеленга на ИРИ2 с гиперболической и эллиптической линиями положения совпадают. Действительно, для того, чтобы точки пересечения линии пеленга с эллиптической и гиперболической линиями положения совпадали, необходимо и достаточно, чтобы х_c=х_p, y _c=y_р, в этом случае имеют место следующие равенства

Предположим, что это не так, а x_с, у_с и x_р, y_p корни одного знака, найденные согласно (12), (13), являющиеся решениями систем (8), (9), соответственно, тогда, очевидно, не должны выполняться следующие равенства, вытекающие непосредственно из (14) y_c=kx_p, y_p =kx_c, но если они не выполняются, точки с координатами (х_с, y_с) и (x_р, y_p ) не принадлежат вектору , определяемому коэффициентом k, следовательно, не являются решением систем (8) и (9) соответственно, что противоречит нашему предположению.

Таким образом корни, определяемые согласно (12), (13), будут совпадать и проблемы дальнейшего разрешения неоднозначности не возникает.

Для устранения неоднозначности, задаваемой знаком ± , можно воспользоваться следующим правилом : если ИРИ2 лежит в I или во II квадрантах, то за истинное значение x₂ берется значение (12), (13) со знаком плюс при с _1,2>BD и минус при с _1,2<BD и, наоборот, со знаком минус при с _1,2>BD и плюс при с _1,2<BD, при расположении в III или IV квадрантах (квадрант можно считать априорно известным, определяемым пеленгом).

Решения (12), (13) определяют координаты ИРИ2 относительно точки D, положение которой известно (точка пересечения линии пеленга и радиальной линии положения). Координаты точки D в декартовой системе координат относительно точки (x_A, y_A ) можно вычислить по выражениям

где - расстояние между точками А и В (фиг.2а, фиг.3 а); (х_в , y_в)- координаты ИРИ1 (местоположение которого известно).

Таким образом имеем две системы декартовых координат - первая относительно точки D, вторая относительно точки размещения станции радиоконтроля (точка А) (х, у). Для вычисления координат искомой точки в единой системе координат можно воспользоваться следующими выражениями

где , знак выбирается таким образом, что если с _1,2>BD выбирается плюс, при с _1,2<BD - минус.

Таким образом, аналитическое выражение (12) позволяет вычислять координаты ИРИ из одной точки и описывает заявленный способ местоопределения, позволяющий при наличии соответствующих технических средств на станции радиоконтроля определять местоположение контролируемого источника.

Необходимые технические средства для реализации заявленного способа являются широко известными. В качестве средства определения углового положения ИРИ можно воспользоваться любым из существующих средств пеленгования, заданного диапазона частот, обеспечивающего требуемую точность пеленгования, например пеленгатором, описываемом в [3] либо [4]. Для измерения времени прихода сигнала можно воспользоваться корреляционньм способом [2] на основе любого радиоприемного устройства соответствующего диапазона частот, в котором дополнительно введен автокоррелятор. Кроме того, учитывая, что рассматривается дискретный класс сигналов, можно непосредственно измерять время прихода импульса и необходимую относительную временную задержку вычислять как разность времени прихода сигнала и ближайшего маркера опорной временной шкалы

Как видно из приведенного описания, заявленный способ местоопределения не требует наличия нескольких приемных пунктов, кроме того, нет необходимости привязки к системе единого времени и точность местоопределения зависит только от точности оценки необходимых параметров.

Следовательно, можно сделать вывод, что цель, поставленная перед изобретением - разработка способа, обеспечивающего определение координат ИРИ УКВ-СВЧ диапазонов из одного пункта радиоконтроля - достигнута.

Заявленный способ может быть применен для определения местоположения мобильных абонентов систем связи с подвижными объектами, в которых местоположение базовой станции априорно известно.

Технико-экономический эффект, обусловленный применением данного способа, заключается в сокращении количества технических средств для определения местоположения источников радиоизлучений и повышением точности местоопределения, а следовательно, повышением эффективности пассивных систем радиоконтроля в целом.

Количественная величина ожидаемого технико-экономического эффекта от использования предложенного способа зависит от типа системы, подлежащей радиоконтролю, и важности данной системы; ее определение возможно после внедрения предложенного способа в конкретных системах радиоконтроля.

Источники информации:

1. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. - М.: Радио и связь, 1987. – 240 с.

2. Патент Великобритания №2094089 А МКИ G 01 S 13/86 от 08.09.1982 г.

3. Патент РФ №2000100834/09 от 17.01.2000 г.

4. Патент ФРГ №2328720 МКИ G 01 S 3/4 от 06.05.76 г.