Способ и устройство для определения координат неизвестного передатчика

 

Изобретение относится к радиотехническим средствам определения направления, местоположения. Технический результат заключается в повышении точности определения координат неизвестного передатчика. Для этого измеряют разности фаз между сигналами, принятыми приемными элементами антенной решетки, расположенными на борту Искусственного Спутника Земли, который находится на геостационарной орбите. Измерение разности фаз дает возможность определить направление на неизвестный передатчик и определить координаты его в геоцентрической системе координат. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехническим средствам определения направления, местоположения, измерения расстояния или скорости с использованием разнесенных антенн и измерением фазового сдвига или временного запаздывания снимаемых с них сигналов (системы определения разности пути, пройденного сигналом) и, в частности, к способам определения координат передатчиков в системах спутниковой связи.

Известны метод и система, описанные в патенте США 5008679 "Method and system for locating an unknown transmitter", H 04 B 7/185 (G 01 S 5/02), опубликованном в http://www.delphion.com/ details? &pn=US05008679.

Способ определения координат неизвестного передатчика состоит в приеме и переизлучении сигнала неизвестного передатчика, координаты которого предстоит определить, ретрансляторами, расположенными на борту двух близко расположенных на геостационарной орбите Искусственных Спутников Земли (ИСЗ), приеме переизлученных сигналов Земной Станцией, содержащей как минимум две антенны, и вычислении искомых координат в точке пересечения кривой постоянной временной задержки принятых сигналов с кривой постоянного доплеровского смещения частоты принятых сигналов.

Устройство, реализующее способ, содержит два ИСЗ на геостационарной орбите, принимающих сигнал, излученный неизвестным передатчиком, один по главному лепестку диаграммы направленности, а второй по боковому лепестку диаграммы направленности, земную станцию, содержащую как минимум две антенны, которые принимают повторно переданный сигнал от неизвестного передатчика, одна нацелена на один из спутников и другая нацелена на второй спутник в порядке приема сигналов от спутников, два перемножителя, связанные каждый соответственно с первой и второй антенной, первый и второй опорные генераторы, два аттенюатора, связанные каждый соответственно с выходами первого и второго перемножителя, третий и четвертый перемножители, связанные каждый соответственно с выходами первого и второго аттенюатора, третий и четвертый опорные генераторы, пятый перемножитель, связанный с выходом второго аттенюатора, три низкочастотных фильтра, связанных каждый соответственно с выходами третьего, четвертого и пятого перемножителя, три высокоскоростных аналого-цифровых преобразователя, связанных каждый соответственно с выходами первого, второго и третьего низкочастотного фильтра, цифровое устройство задержки, связанное с выходом первого фильтра, коррелятор, связанный с выходами второго и третьего фильтра и с выходом цифрового устройства задержки, компьютер, связанный с выходом коррелятора.

Недостаток данных способа и устройства состоит в низкой точности определения координат неизвестного передатчика.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому решению являются способ и система, описанные в патенте США 6147640 "Communications satellite interference location system", G 01 S 5/02, опубликованном в http://www.delphion.com/details?&pn=US06147640.

Способ определения координат неизвестного передатчика состоит в излучении сигнала неизвестным передатчиком, приеме сигналов приемными элементами антенной решетки, расположенной на борту ИСЗ, преобразовании принятых сигналов в первый композиционный сигнал, выделении нулевых значений огибающей первого композиционного сигнала, формировании местного композиционного сигнала, выделении нулевых значений первого и местного композиционного сигнала, определении длительности интервала времени между нулевыми значениями первого и местного композиционных сигналов.

Устройство, реализующее способ, содержит размещенные на борту Искусственного Спутника Земли антенную решетку, включающую два элемента, передающую антенну, передающий тракт, связанный с передающей антенной, два перемножителя, связанные каждый соответственно с первым и вторым элементами антенной решетки, первый и второй опорные генераторы, первый и второй сумматоры, первый и второй детекторы огибающей, полосовой фильтр, связанный с первым сумматором и вторым детектором огибающей, таймер, связанный с первым и вторым детекторами огибающей, причем первый опорный генератор связан с первым перемножителем и вторым сумматором, второй опорный генератор связан со вторым сумматором и вторым перемножителем, выходы первого и второго перемножителей соединены со входами первого сумматора, а выход таймера соединен во входом передающего тракта (эта связь в прототипе не указана, но подразумевается).

Способ и устройство характеризуются низкой точностью определения координат неизвестного передатчика.

В основу изобретения положена задача повышения точности определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи, включающему излучение сигнала неизвестным передатчиком, прием сигналов приемными элементами антенной решетки, расположенной на борту Искусственного Спутника Земли, согласно изобретению, производят поочередное переизлучение сигналов, принятых приемными элементами антенной решетки на Земную Станцию, измеряют разность фаз между сигналами, принятыми на Земной Станции, и вычисляют координаты неизвестного передатчика по формулам ϕ = arcsin(sinγ•sinα); где ϕ - широта неизвестного передатчика; λ - долгота неизвестного передатчика; λ_c - долгота точки стояния спутника; R - радиус Земли; L - расстояние от центра Земли до геометрического центра антенной решетки;
углы, определяющие направления прихода радиоволн, излучаемых неизвестным передатчиком;
d - база антенной решетки;
ν - длина волны принимаемого сигнала;
ΔΨ_1-2 и ΔΨ_3-4 - фазовые сдвиги между сигналами, принятыми приемными элементами бортовой антенной решетки.

Поставленная задача решается тем, что в устройство определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи, содержащее на борту Искусственного Спутника Земли антенную решетку, включающую как минимум четыре приемных элемента, передающую антенну и связанный с ней передающий тракт, на Земной Станции линейный приемный тракт с приемной антенной, согласно изобретению введены на борту Искусственного Спутника Земли переключатель, входы которого соединены с приемными элементами антенной решетки, причем приемные элементы антенной решетки пространственно сгруппированы в двумерную антенную решетку, одна из осей которой лежит в меридиональной плоскости, а другая - в экваториальной плоскости Земли, приемная антенна и связанный с ней приемник-дешифратор команд командной радиолинии, причем выход переключателя подключен ко входу передающего тракта, а управляющий вход переключателя соединен с выходом приемника-дешифратора команд командной радиолинии, на Земной Станции передающая антенна командной радиолинии и связанный с ней формирователь-передатчик команд командной радиолинии, последовательно включенные устройство запоминания фазы сигналов, которое одним из входов подключено к линейному приемному тракту, а другим - к формирователю-передатчику команд командной радиолинии, измеритель фазовых сдвигов и вычислительный блок.

На фиг1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг 2 представлены геометрические построения, необходимые для пояснения способа определения координат неизвестного передатчика.

Устройство для определения координат неизвестного передатчика содержит (фиг. 1): Земную Станцию 1, включающую линейный приемный тракт 2 с приемной антенной, выходом соединенный с одним из входов запоминающего устройства 3, выход которого соединен через измеритель фазовых сдвигов 4 с вычислительным блоком 5, формирователь-передатчик 6 команд командной радиолинии, одним выходом соединенный со вторым входом запоминающего устройства 3, а другим - с передающей антенной 7 командной радиолинии, бортовую аппаратуру ИСЗ, имеющую в составе приемную антенну 9 командной радиолинии, соединенную с входом приемника-дешифратора 10 команд командной радиолинии, который выходом соединен с управляющим входом переключателя 11, чей выход подключен к входу передающего тракта 12, а выход передающего тракта 12 соединен с передающей антенной 13, и приемные элементы 14, 15, 16, 17, сгруппированные в двумерную антенную решетку, одна из осей которой лежит в меридиональной плоскости (приемные элементы 16, 17), а другая - в плоскости экватора Земли (приемные элементы 14, 15), и соединенные со входами переключателя 11. 18 - неизвестный передатчик, координаты которого определяются.

Работает устройство следующим образом.

По командной радиолинии в составе формирователя-передатчика 6 команд командной радиолинии и приемника-дешифратора 10 команд командной радиолинии с использованием передающей 7 и приемной 9 антенн командной радиолинии передаются команды на переключение переключателя 11 с определенным тактом, достаточным для передачи сигналов на Земную Станцию и запоминания фазы. В результате этого сигналы неизвестного передатчика 18, принятые всеми приемными элементами антенной решетки 14, 15, 16 и 17, ретранслируются в обратном направлении по одному и тому же передающему тракту 12 с помощью передающей антенны 13 на Земную Станцию 1. После приема сигнала, стандартных усиления и преобразования частоты в линейном тракте 2 с приемной антенной Земной Станции сигналы по очереди поступают в запоминающее устройство 3 Земной Станции, в котором производится запоминание фазы сигналов неизвестного передатчика, принятого приемными элементами 14, 15, 16 и 17 в соответствии с командами формирователя-передатчика 6 команд командной радиолинии. В измерителе фазовых сдвигов 4 производится измерение разности фазовых сдвигов ΔΨ_1-2 между сигналами, принятыми приемными элементами антенной решетки 14, 15, а также ΔΨ_3-4, соответственно, между сигналами, принятыми приемными элементами 16, 17. С учетом того, что (фиг.2): O - центр Земли, совпадающий с началом геоцентрической системы координат, ИСЗ расположен в точке А на геостационарной орбите, передатчик расположен в точке В на поверхности Земли, ось Z направлена на Север, ось Х - на Гринвичский меридиан, ось Y дополняет координатную систему до прямоугольной, в вычислительном блоке 5 производится вычисление широты ϕ и долготы λ передатчика по формулам (опуская промежуточные преобразования)
ϕ = arcsin(sinγ•sinα);

где λ_c - долгота ИСЗ. Случай λ_c = 0 соответствует долготе Гринвичского меридиана;
угол между R и L;
L - расстояние от центра Земли до геометрического центра антенной решетки [м];
R - радиус Земли [м].

Углы, определяющие направления прихода радиоволн, излучаемых неизвестным передатчиком, равны:


где d - база приемных элементов 14-15 и 16-17 [м];
ν - длина волны принимаемого сигнала [м];
ΔΨ_1-2 и ΔΨ_3-4 - фазовые сдвиги между сигналами, принятыми приемным элементами 14-15 и 16-17 бортовой антенной решетки [град].

Таким образом, измерив сдвиг фаз между сигналами, принимаемыми приемными элементами антенной решетки, и произведя необходимые вычисления, можно определить направление на неизвестный передатчик относительно ИСЗ и, как следствие, координаты неизвестного передатчика в геоцентрической системе координат.

Сопоставление методов определения координат неизвестного передатчика по наиболее близкому по технической сущности способу и по предложенному способу будем производить путем сравнения по точности измерения угла α (наиболее близкий по технической сущности способ) и аналогичного ему угла, который для определенности обозначим β, по предложенному способу. Значение этого угла является одним из исходных параметров для вычисления координат неизвестного передатчика.

α = arcsin(TΔωc/dω);
,
где с - скорость света;
d - базовый размер антенной решетки.

В расчетах полагаем d= 5 м, ω - значение несущей частоты. В расчетах полагается ω=2•π•6•10⁹ рад/с. Тогда произведение c/dω=1.6•10^-3.

Для определенности будем считать ΔТ= 6.2•10^-3 мс, Δω=100 кГц. Тогда погрешность определения угла α при максимально возможном значении =8^o:

Будем исходить из относительной погрешности измерения интервала времени 10^-3, а также относительной нестабильности 10^-6 генератора, из колебаний которого формируется частотная расстройка Δω. Расчеты показывают, что при δΔТ=10^-6 с и δΔω=0,1 рад/с: δα≅40•10^-3 град.

Погрешность определения угла β при максимально возможном значении β=8^o:

где δΔΨ_1-2 и δΔΨ_3-4 - погрешности фазовых измерений. Если исходить из относительной погрешности измерения фазовых сдвигов порядка 10^-3, т.е. δΔΨ_1-2 = δΔΨ_3-4≅1 град, то δβ≅1.6•10^-3 град.

Сравнение показывает, что предложенный способ обеспечивает повышение точности определения координат неизвестного передатчика относительно наиболее близкого по технической сущности способа не менее чем в 25 раз.

Формула изобретения

1. Способ определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи, включающий излучение сигнала неизвестным передатчиком, прием сигналов приемными элементами антенной решетки, расположенной на борту Искусственного Спутника Земли, отличающийся тем, что производят поочередное переизлучение принятых сигналов с определенным тактом, достаточным для передачи сигналов на Земную Станцию, и запоминание фазы с помощью передающего тракта и передающей антенны на Земную Станцию, измеряют разность фаз между сигналами, принятыми на Земной Станции, и вычисляют координаты неизвестного передатчика по формулам
ϕ = arcsin(sinγ•sinα);

где ϕ - широта неизвестного передатчика;
λ - долгота неизвестного передатчика;
λ_c - долгота точки стояния спутника;
углы между R и L, R - радиус Земли;
L - расстояние от центра Земли до геометрического центра антенной решетки;
углы, определяющие направления прихода радиоволн, излучаемых неизвестным передатчиком,
d - база антенной решетки;
ν - длина волны принимаемого сигнала;
ΔΨ_1-2 и ΔΨ_3-4 - фазовые сдвиги между сигналами, принятыми приемными элементами бортовой антенной решетки.

2. Устройство определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи, содержащее на борту Искусственного Спутника Земли антенную решетку, включающую, как минимум, четыре приемных элемента, передающую антенну и связанный с ней передающий тракт, на Земной Станции линейный приемный тракт с приемной антенной, отличающееся тем, что в него введены на борту Искусственного Спутника Земли переключатель, входы которого соединены с приемными элементами антенной решетки, причем приемные элементы антенной решетки пространственно сгруппированы в двухмерную антенную решетку, одна из осей которой лежит в меридиальной плоскости, а другая - в экваториальной плоскости Земли, приемная антенна и связанный с ней приемник-дешифратор команд командной радиолинии, причем выход переключателя подключен ко входу передающего тракта, а управляющий вход переключателя соединен с выходом приемника-дешифратора команд командной радиолинии, на Земной Станции - передающая антенна командной радиолинии и связанный с ней формирователь-передатчик команд командной радиолинии, последовательно включенные устройство запоминания фазы сигналов, которое одним из входов подключено к линейному приемному тракту, а другим - к формирователю передатчику команд командной радиолинии, измеритель фазовых сдвигов и вычислительный блок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2