Способ определения местоположения источника радиоизлучения
Владельцы патента RU 2442184:
Закрытое акционерное общество "Информационный Космический Центр "Северная Корона" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля для определения местоположения наземных источников радиоизлучения в диапазоне частот от примерно 100 МГц до 3 ГГц. Достигаемый технический результат изобретения - повышение точности оценки местоположения источника радиоизлучения (ИРИ). Способ включает последовательно выполняемые процедуры измерения частоты излучения и эффективного значения напряженности поля от источника радиоизлучения в трех (или большем числе) пространственно разнесенных контрольных точках приема, задание предполагаемой высоты положения антенны ИРИ и порогового значения среднеквадратической ошибки нормированного значения напряженности поля, выбора границ ожидаемой территории положения ИРИ, перебор всех точек с координатами (x, y) в пределах ожидаемой территории положения ИРИ с одновременным расчетом в каждой такой точке дальности и дифракционных потерь до каждого из приемников, а также нормированного значения напряженности поля для каждого приемника и результирующего значения среднеквадратической ошибки нормированного значения напряженности поля. Наиболее вероятное положение ИРИ определяют как множество точек (x, y), значение среднеквадратической ошибки в которых ниже порога. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля для определения местоположения наземных источников радиоизлучения (ИРИ) в диапазоне частот от примерно 100 МГц до 3 ГГц.
Данное изобретение позволяет определить вероятное местоположение источника радиоизлучения по результатам измерения напряженности поля, создаваемого ИРИ, в трех и более точках приема.
Известен способ определения местоположения источника радиоизлучения, включающий прием радиоизлучения источника не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема с последующей передачей принятых радиосигналов на центральный пункт, измерение взаимных задержек между принятыми сигналами и вычисление координат по взаимным задержкам при равенстве нулю их суммы на замкнутом через пункты приема контуре [1].
Недостатком данного способа является низкая точность определения местоположения источников узкополосных радиосигналов, имеющих широкие корреляционные пики, а также сложность реализации при пеленгации источников, параметры излучения которых точно не известны.
Известен способ определения местоположения источника радиоизлучения, основанный на приеме сигнала передатчика приемниками, установленными на известных стационарных пунктах, передаче с приемников на пункт обработки данных о факте обнаружения сигналов, где по координатам приемников, принимающих сигналы, определяют местоположение объектов [2].
В данном способе точность определения местоположения не зависит от ширины спектра излучений, однако соотношение вероятности обнаружения и точности определения местоположения носит противоречивый характер. Для уменьшения погрешности определения координат необходимо увеличивать порог обнаружения до уровня, обеспечивающего регистрацию сигнала источника только в одном пункте приема. В этом случае падает вероятность обнаружения в области между пунктами приема. Снижение порогового уровня приводит к срабатыванию обнаружителей одновременно нескольких пунктов приема, а погрешность определения местоположения достигает величины удаления объекта от геометрического центра, образованного усреднением координат приемных пунктов. Причем характеристики достоверности обнаружения и точности определения местоположения нестабильны, существенно зависят от мощности передатчика объекта, мощности шумов в приемных пунктах, флуктуации уровней сигналов при распространении радиоволн.
Таким образом, основным недостатком данного способа являются низкая точность определения местоположения источника радиоизлучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения местоположения источника радиоизлучения, который включает прием радиоизлучения источника в N>2 пространственно разнесенных пунктах приема, передачу информации на центральный пункт, определение расстояния Rn(x,y) от каждой точки пространства (х,у) до каждого n=1, 2, ... N-го пункта приема, измерение в них уровня принятых радиосигналов Un, передачу их на центральный пункт, где преобразуют их в функцию пространственной неопределенности F(х,у), по положению и значению максимума которой определяют наличие излучения и местоположение источника. Значение и положение максимума функции пространственной неопределенности оценивают в окрестности точки с координатами, равными средневзвешенным координатам пунктов приема с весами, равными измеренным эффективным значениям напряжения принятых радиосигналов в степени 4/р. Параметр р определяют исходя из зависимости напряженности поля источника от расстояния с типовым значением 1 или 2 [3].
Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная использованием приближенных моделей распространения радиоволн, не учитывающих влияние конкретного рельефа местности и местных предметов (здания, растительность) на результаты измерений, а также необходимость использования идентичных приемников и антенн с одинаковыми высотами подвеса относительно уровня Земли.
Целью настоящего изобретения является повышение точности оценки местоположения источника радиоизлучения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения местоположения источника радиоизлучения учитывается влияние рельефа местности и местных предметов на результаты измерений, а именно с использованием цифровых карт местности расчетным путем определяются прогнозируемые потери распространения сигнала от каждой анализируемой точки области возможного положения ИРИ до каждой точки приема, по которым дополнительно нормируются значения напряженности поля в каждой точке приема, причем приемники могут быть разнотипными, а антенны могут иметь разную высоту подвеса.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Излучение источника радиоизлучения, положение которого неизвестно, создает в точке приема плотность потока мощности, равную:
, (1)
где
- эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) ИРИ, дБВт;
- выходная мощность усилителя ИРИ, дБВт;
- потери в фидере тракта передачи ИРИ, дБ;
- усиление антенны ИРИ, дБи;
- дальность от ИРИ до точки приема, м;
-дополнительные потери на трассе распространения, дБ.
Значение напряженности поля, соответствующее конкретному значению плотности потока мощности, можно получить из следующего выражения:
, (2)
где
- частота излучения ИРИ, МГц.
Тогда напряженность поля в дБ(мкВ/м2) 
, создаваемая ИРИ в точке приема i-го приемника, равна
, (3)
где
- расстояние от ИРИ до i-го приемника, м;
- дополнительные потери при распространении сигнала от ИРИ до i-го приемника, дБ.
В последнем равенстве перенесем из правой части в левую два последних слагаемых:
. (4)
Введем параметр «нормированное значение напряженности поля» 
:
. (5)
Очевидно, что «нормированное значение напряженности поля» есть не что иное, как напряженность поля 
, создаваемая ИРИ в точке своего местоположения, и следовательно, значение данного параметра не зависит от положения приемника относительно ИРИ и для всех приемников должно быть одинаково и численно равно:
. (6)
Перебирая с некоторым малым шагом все точки в пределах территории возможного положения ИРИ на основе выражения (5) для каждой точки с координатами (x,y) можно получить набор оценок нормированной напряженности поля . Очевидно, что ИРИ будет располагаться в такой точке с координатами (x,y), где все значения (нормированное значение напряженности поля для каждого i-го приемника) имеют одно и тоже значение, численно равное .
Так как ЭИИМ ИРИ неизвестна, получить расчетное значение из выражения (6) не представляется возможным. По этой причине в качестве критериального параметра, характеризующего степень принадлежности произвольной точки пространства точке положения ИРИ, выбран относительный параметр, характеризующий разброс значений в этой точке - среднеквадратическая ошибка:
где
N - число приемников;
- среднее значение параметра M в «проверяемой» точке.
В качестве критерия - минимум значения среднеквадратической ошибки 
.
При расчете параметра необходимо получить значения дальности и дополнительных потерь при распространении сигнала.
Расчет дальности осуществляется по координатам «проверяемой» точки и точки положения приемников.
Для расчета дополнительных потерь необходимо принять во внимание следующее. В диапазоне 100 МГц - 3000 МГц основной составляющей дополнительных потерь являются потери за счет дифракции на рельефе и местных предметах. Расчет дифракционных потерь может быть проведен в соответствии с рекомендациями Бюро радиосвязи Международного союза электросвязи (БР МСЭ) [4, 5]. При этом основными исходными данными для расчета дифракционных потерь являются:
- высоты размещения антенн передатчика и приемника над уровнем Земли;
- рабочая частота излучения;
- профиль трассы между передатчиком и приемником, включающий отметки высот рельефа и местных предметов в функции дальности.
Высоты размещения антенн приемников известны. Частота излучения источника может быть измерена в пунктах приема. Следовательно, для расчета дифракционных потерь необходимо задаваться предполагаемой высотой размещения антенны ИРИ и использовать цифровые карты местности для получения профиля трассы.
Таким образом, задача оценки местоположения ИРИ может быть решена путем задания предполагаемой высоты положения антенны ИРИ, перебора всех точек с координатами (x,y) в пределах предварительно заданной ожидаемой территории положения ИРИ, и имея N (по числу приемников) значений напряженности поля , i=1..N, вычисления дальности и дополнительных потерь (с учетом конкретного профиля местности) от текущей точки (x,y) до каждого приемника, вычисления соответствующего нормированного значения напряженности поля для каждого приемника и результирующего значения среднеквадратической ошибки.
Если в результате перебора всех точек из окрестности ИРИ находится точка с минимальной величиной , то ее координаты могут быть приняты в качестве координат предполагаемого положения ИРИ.
В реальных условиях вследствие ошибок измерения напряженности поля, погрешностей вычисления потерь за счет рельефа местности необходимо принимать во внимание некоторое множество точек с малыми значениями . Получается область предполагаемого положения ИРИ. Отбор точек в указанную область следует осуществлять с помощью задания порога. Критерий отбора в область предполагаемого положения ИРИ следующий: если для анализируемой точки ниже порога, то точка включается в область, если выше, то отбрасывается.
Порог определяется:
- числом приемников;
- точностью используемых цифровых карт;
- моделью расчета дифракционных потерь;
- ошибками средств измерения.
Вероятное значение порога определяется по результатам контрольных испытаний на местности.
Если по результатам наблюдения за излучением можно задаться вероятным максимальным значением ЭИИМ, то можно получить и максимальное значение . В этом случае можно обосновано исключить из рассмотрения удаленные точки, где среднее значение Mi меньше .
Следует отметить, что если в выражении (6) не учитывать дополнительные потери на трассе распространения (в нашем случае - это дифракционные потери), то учитывая, что значение нормированной напряженности поля будет зависеть только от квадрата дальности до анализируемой точки, по своей сути в заявляемом способе будет реализован классический разностно-дальномерный метод определения местоположения ИРИ.
Так, например, при использовании только двух приемников поверхностью положения будет конус. Пересечение конуса с поверхностью Земли, представленной в виде сферы, даст линию второго порядка. При использовании трех приемников поверхность положения ИРИ будет определяться пересечением трех конусов и сферой (Земля).
Указанное иллюстрируется следующими рисунками.
На Фиг.1 представлен пример для двух приемников, где положение стационарных станций обозначено треугольником, а точное положение ИРИ - кружком. Область предполагаемого положения (ОПП) ИРИ представляет собой участок линии 2-го порядка.
На Фиг.2 представлен пример аналогичной ситуации, но с тремя приемниками.
Способ может быть реализован следующим образом.
Предположим, на местности развернуты три приемника, координаты которых известны. При работе ИРИ, местоположение которого неизвестно, приемниками выполняется процедура измерения напряженности поля. Частота излучения известна. Задается область анализа, в пределах которой предполагается нахождение ИРИ. В пределах данной области производится вычислительная процедура, реализуемая на базе специализированного программного обеспечения: последовательно анализируется каждая точка области, при этом рассчитываются удаление точки от каждого приемника и дифракционные потери на трассах «точка - приемник», значения напряженности нормируются по дальности и дифракционным потерям и вычисляется СКО нормированной напряженности; вероятное положение источника радиоизлучения соответствует точкам, где СКО ниже порога.
Если неопределенность положения ИРИ достаточно велика (много точек оказываются ниже порога), то для уточнения положения ИРИ необходимо разместить в зоне анализа дополнительный приемник, выполнить измерение напряженности поля от ИРИ и повторить описанную процедуру. Если и после этого неопределенность остается высокой, то можно использовать еще один приемник и т.д.
Указанное иллюстрируется следующими рисунками.
На Фиг.3 представлен ситуационный план, где положение стационарных станций обозначено треугольником, а точное положение источника - кружком. Здесь же отображена рамка, ограничивающая область анализа при определении местоположения ИРИ.
На Фиг.4 представлен результат выполнения вычислительной процедуры с результирующей ОПП ИРИ для трех приемников.
На Фиг.5 представлен результат выполнения вычислительной процедуры с результирующей ОПП ИРИ, когда используется дополнительный приемник (его местоположение обозначено крестиком).
Для повышения эффективности применения данного способа может быть использовано комплексирование с другими методами оценки местоположения, например по данным пеленгов на ИРИ, полученных в пунктах приема.
Для практической реализации данного способа создано специализированное программное обеспечение - программный комплекс «Пеленг». Внешний вид главной формы программного комплекса представлен на Фиг. 6.
Библиографические данные
1. Патент РФ №2013785, G01S 13/00, 1994 г.
2. Патент Франции №2630565, кл. G08В 7/06, 1988 г.
3. Патент РФ №2263928, G01S 5/04, 2005 г.
4. Рекомендация МСЭ-R P.526-11 «Распространение радиоволн за счет дифракции», 2009 г.
5. Рекомендация МСЭ-R P.1812-1 «Метод прогнозирования распространения сигнала на конкретной трассе для наземных служб "из пункта в зону" в диапазонах УВЧ и ОВЧ», 2009 г.
Способ определения местоположения источника радиоизлучения, включающий последовательно выполняемые процедуру измерения эффективного значения напряженности поля от источника радиоизлучения в трех или большем числе пространственно разнесенных контрольных точках приема, процедуру перебора всех точек заранее определенной зоны возможного положения источника радиоизлучения и расчета дальности от каждой такой точки с координатами (x, y) до каждого пункта приема, а также процедуру определения тех точек зоны, где положение источника радиоизлучения наиболее вероятно, отличающийся тем, что дополнительно измеряют частоту f излучения сигнала, задаются вероятной высотой h размещения антенны источника излучения над уровнем Земли, вычисляют дифракционные потери от каждой точки зоны с координатами (x, y) до каждой точки приема, после чего для каждой точки (x, y) зоны рассчитывают среднеквадратическую ошибку σ значения напряженности поля, создаваемого источником радиоизлучения, причем
где N - число пунктов приема;
- нормированное значение напряженности поля, создаваемого источником радиоизлучения в точке его местоположения;
- среднее значение параметра М в «проверяемой точке»;
Ei - напряженность поля от источника радиоизлучения, измеренная в точке приема i-го приемника, дБ(мкВ/м2);
di - дальность от точки (x, y) до i-й точки приема, м;
Li - дифракционные потери при частоте излучения f на трассе распространения от точки (x, y) до положения контрольного приемника, рассчитываемые с использованием цифровых карт местности в предположении высоты подвеса антенны источника, равной h, дБ, задают пороговое значение σ0 среднеквадратической ошибки напряженности поля, создаваемого источником радиоизлучения, и определяют наиболее вероятное положение источника радиоизлучения как множество точек (x, y), значение σ в которых ниже порога.
