Мультипликативный разностно-относительный способ стационарно-мобильного определения координат местоположения источника радиоизлучения
Владельцы патента RU 2558638:
Екимов Олег Борисович (RU)
Антипин Борис Маврович (RU)
Логинов Юрий Иванович (RU)
Портнаго Людмила Борисовна (RU)
Гриценко Андрей Аркадьевич (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения. Достигаемый технический результат - определение пространственных координат местоположения источников радиоизлучений (ИРИ) путем измерения его уровня сигнала с помощью двух стационарных постов радиоконтроля и одного мобильного в М точках (первый вариант) или двух мобильных постов радиоконтроля (второй вариант) в M1 и М2 точках их положения при независимом перемещении по нелинейной траектории без привлечения уравнений линий положения. Способ основан на сравнении отношений расстояний от точек измерения до местоположения источника радиоизлучения и обратных отношений измеренных уровней сигналов Для этого составляются мультипликативные функции разностей указанных отношений. Для обработки этих функций предложен дихотомический способ, в основе которого лежит принцип последовательного определения параметров местоположения ИРИ. 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственных радиочастотных служб или государственных служб надзора за связью). Изобретение может быть использовано при поиске местоположения несанкционированных средств радиосвязи, как возможных источников помех связи.
Известны способы определения координат ИРИ, в которых используются пассивные пеленгаторы в количестве не менее трех, центр тяжести области пересечения выявленных азимутов которых на фронт прихода волны принимается за оценку местоположения. Основными принципами работы таких пеленгаторов являются амплитудные, фазовые и интерферометрические [1, 2]. К их недостаткам следует отнести высокую степень сложности антенных систем, коммутационных устройств и наличие многоканальных радиоприемников, а также необходимость в быстродействующих системах обработки информации.
Наличие в федеральных округах государственной радиочастотной службы взаимосвязанных через центральный пункт разветвленной сети радиоконтрольных постов, оборудованных средствами приема радиосигналов, измерения и обработки их параметров, позволяет дополнить их функции и задачами определения местоположения тех ИРИ, сведения о которых отсутствуют в базе данных, не прибегая к использованию сложных и дорогостоящих пеленгаторов. Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по технической сущности является способ [3], заключающийся в приеме сигналов источников радиоизлучений в полосе частот ΔF перемещающимся в пространстве измерителем. При перемещении измерителя измеряют уровни сигналов в N (Ν≥4) точках, последовательно вычисляют Ν-1 отношений уровней сигнала, по вычисленным отношениям строят Ν-1 круговых линий положения и определяют координаты источников радиоизлучения как точку пересечения Ν-1 круговых линий положения. Для повышения достоверности определения местоположения используют статистику.
Основные недостатки прототипа:
1. Алгоритмическая противоречивость и незавершенность его реализации во времени. Действительно, утверждение о нахождении координат источников радиоизлучения как точки пересечения Ν-1 (Ν≥4) круговых линий положения вступает в противоречие с необходимостью уточнения этих координат статистическим путем. Так как N в формуле изобретения сверху не ограничено, то координаты ИРИ как координаты точки пересечения неограниченного количества круговых линий положения будут определяться с неограниченно высокой точностью. И, следовательно, в статистическом уточнении не нуждаются. Но, если утверждается, что необходимо статистическое уточнение местоположения, то тем самым отрицается возможность пересечения в одной точке неограниченного количества круговых линий положения. И последнее ближе к действительности, так как приборов и способов измерения с неограниченно высокой точностью не существует.
2. Принципиальная трудность нахождения координат точки пересечения Ν-1 (Ν≥4) круговых линий положения путем непосредственного решения системы уравнений, их описывающих. Действительно, согласно [4, с. 66] общее уравнение окружности в декартовых прямоугольных координатах имеет вид:
И при этом «все окружности, проходящие через действительные или мнимые точки пересечения двух окружностей, определяются уравнением:
где λ - параметр».
Пусть окружности заданы уравнениями:
Эта система трех уравнений любых окружностей, в том числе и Аполлония, о котором упоминается в [3], имеет одно решение, то есть окружности пересекаются в одной точке только в том случае, если детерминант системы равен нулю. А это возможно согласно источнику [4, с. 66], если одно из трех уравнений получено из двух других указанным образом. При этом коэффициенты этого производного уравнения, пусть для определенности это будет уравнение Scd, должны определяться как:
A3=(Α1+λА2)/(1+λ), В3=(В1+λВ2)/(1+λ), С3=(С1+λС2)/(1+λ).
Детерминант такой системы
действительно равен нулю, а следовательно, третья окружность может пройти через точку пересечения первых двух окружностей только при строго определенной связи с ними.
Предыдущее утверждение подкрепляется и положением, основанным на том, что дуги окружностей в окрестности точки их пересечения (или касательные к окружностям в этой точке) могут рассматриваться как три пересекающиеся прямые. В этой связи согласно [4, с. 59, п. g] высказывание: «Для того чтобы три прямые А1х+В1у+С1=0, А2х+В2у+С2=0, А3х+В3у+С3=0 пересекались в одной точке или были параллельны, необходимо и достаточно, чтобы
т.е. чтобы левые части уравнений были линейно зависимы», - действительно подкрепляет предыдущее утверждение. Решение системы уравнений трех окружностей без наложения указанных условий может быть достигнуто, но только на других принципах, один из которых, как наиболее простой, предлагается авторами настоящей заявки;
3. Количество точек измерения уровней сигналов N≥4, что для получения одного отсчета координат местоположения является избыточным.
4. Наличие сингулярности круговых линий положения (окружностей Аполлония Пергского) при близких значениях уровней сигналов в точках их измерения, приводящее к большой погрешности определения координат местоположения ИРИ.
5. Прототип не позволяет определять координаты местоположения ИРИ в пространстве.
Целью настоящего изобретения является разработка способа определения координат местоположения на существующих радиоконтрольных постах Радиочастотной службы Российской Федерации, в котором устранены недостатки прототипа. Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения: Мультипликативный разностно-относительный способ стационарно-мобильного определения координат местоположения источника радиоизлучения, основанный на измерении уровней сигналов источника радиоизлучений (ИРИ) в нескольких точках пространства, не лежащих на одной прямой, сканирующими радиоприемными устройствами, перемещающимися в пространстве, отличающийся тем, что для измерения уровней сигналов ИРИ применяют два стационарных поста радиоконтроля, а мобильный пост радиоконтроля используют в качестве базового, соединяют со стационарными постами линиями связи и перемещают по Μ≥1 точкам, на последнем составляют 
и 
мультипликативных функций, представляющих сочетания, взятые по два и по три, из вычисленных 
парных сочетаний (М+2) разностей отношений расстояний, рассчитанных от точек измерения до местоположения искомого ИРИ по заданным его координатам, и вычисленных 
парных сочетаний (М+2) обратных отношений соответствующих измеренных величин уровней сигналов источника, дихотомически или методом наискорейшего спуска изменяют значение каждого из параметров местоположения ИРИ при неизменных значениях двух других и находят точки экстремумов 
парных мультипликативных функций и точки перегиба 
мультипликативных функций, взятых по три, фиксируя после N кратного 
усреднения каждый найденный в этих точках параметр местоположения источника, как окончательный.
В основе способа лежит принцип последовательного определения параметров местоположения ИРИ: широты - Xi, долготы - Yi и высоты Zi по критерию минимума разностей отношений расстояний местоположения ИРИ до каждой из трех точек измерения и соответствующих обратных отношений уровней сигналов, измеренных в этих точках. Координаты при этом могут вычисляться любым из известных численных методов: либо линейным методом последовательного приближения, либо методом наискорейшего спуска, либо методом дихотомии, например методом поразрядного уравновешивания. Для его использования априори должны быть известны диапазоны D значений искомых величин. Эти диапазоны обычно известны, исходя из параметров зоны электромагнитной доступности используемых мобильных постов радиоконтроля. В соответствии с алгоритмом поразрядного уравновешивания, первоначально задают среднее из диапазона D значение определяемого параметра (например, широты) при фиксированных, но лежащих в известных диапазонах значений долготы и высоты. Вычисляют расстояния от i-го местоположения ИРИ до каждой j-й точки измерения (j≤3), 
Затем вычисляют парные отношения этих расстояний 
Эти отношения позволяют исключить зависимость вычисления координат местоположения от мощности ИРИ. Полученные отношения сравнивают с обратными отношениями уровней сигналов:
путем вычитания.
Например, для точек измерения 1 и 2 эту разность определяют как F112=(n12i-n21). Для 2 и 3 - как F123=(n23i-n32) и т.д. Если разность отношений меньше нуля, то к первоначальному значению определяемого параметра (широты) добавляют 1/4 часть диапазона. В противном случае из первоначального значения определяемого параметра (широты) вычитают 1/4 часть диапазона ее значения. Затем опять производят вычисление расстояний до постов и оценку результатов сравнения, как описано выше. При этом добавляют (или вычитают) уже 1/8 часть диапазона, затем 1/16 часть и т.д. Такие итерации продолжают до тех пор, пока результат сравнения не окажется по модулю меньше заранее заданного значения погрешности дискретизации каждого параметра местоположения 
где m - количество итераций. На рис. 1 показано изменение этих функций для всех трех пар точек измерения при последовательном, равномерно-ступенчатом (для наглядности) поиске. После этого фиксируют полученное значение параметра. Затем аналогично вычисляют значение долготы при найденной широте, а затем и высоты. Отметим, что данный способ для одной пары точек измерения может иметь неоднозначность результата. Устраняют ее путем нахождения экстремумов для каждой из трех функций парных произведений разностей отношений (для каждой из двух пар точек измерений), например, 1,2 и 2,3: F212.23=(n12i-n21)(n23i-n32), 1,2 и 3,1 - F212.31=(n12i-n21)(n13i-n31), 2,3 и 3,1 - F223.31=(n23i-n32)(n13i-n31) и точки перегиба функции произведения трех разностей отношений для точек измерения 1,2 и 3 F3123=(n12i-n21)(n23i-n32)(n31i-n13). На фиг. 1 показаны зависимости разностей отношений для каждой пары точек измерения, на фиг. 2 - для произведения двух пар точек измерения, фиг. 3 - произведение разностей отношений для трех пар точек.
Значения параметров, полученные во всех экстремальных точках и точках перегиба, усредняют и принимают за окончательные.
Алгоритмически способ предусматривает выполнение следующих операций:
1. Измеряют не менее чем в трех точках, включая точки траектории движения мобильного поста радиоконтроля, не лежащие на одной прямой, уровни сигналов ИРИ, перестраивая на несущие частоты сканирующий приемник постов и сохраняя в базе данных координаты точек измерения уровней.
2. Передают по линиям связи измеренные значения уровней на базовый пост, где:
1) Вычисляют отношения измеренных уровней сигналов ИРИ и обратные отношениям соответствующих расстояний от точек измерения до возможного местоположения ИРИ.
2) Составляют 
парных мультипликативных функций разности отношений расстояний от точек измерения уровней до возможного местоположения ИРИ и соответствующих обратных отношений измеренных уровней а также 
мультипликативных уравнений для всех точек измерения уровней, взятых по три.
3) Задают из предполагаемого диапазона координат возможного местоположения ИРИ два параметра координат (например, долготу и высоту), а один из параметров координат (например, широту) дихотомически изменяют и вычисляют при этом возможное расстояние ИРИ до каждой из точек выполненных измерений до тех пор, пока каждое из трех парных мультипликативных функций с заданной погрешностью не достигнет экстремального значения, а мультипликативные функции для всех точек измерения уровней, взятые по три, не достигнут точек перегиба.
4) Значения параметров, полученные в экстремальных точках и точках перегиба, усредняют и принимают за окончательные.
5) Процедуры по п.п. 3 и 4 повторяют для последовательного получения долготы, а затем и высоты местоположения искомого ИРИ.
Ниже приведена таблица оценки статистики и относительного ее увеличения (в разах) при допущении для различного количества Μ точек измерения мобильными постами.
Из таблицы видно, что при одинаковом количестве точек измерения (точек перемещения) способ обеспечивает увеличение статистики по сравнению с прототипом более чем на два порядка
В предлагаемом способе:
1) исключены какие либо сложные уравнения линий положения ИРИ со скрытыми в них ошибками сингулярности, а предложенные мультипликативные функции разности отношений конечных величин (расстояний и обратных уровней сигналов) являются гладкими и не создают сингулярных погрешностей,
2) обеспечивается определение координат местоположения ИРИ не только на поверхности Земли, но и в пространстве,
3) минимальное количество точек измерения сокращено с четырех до одной, что свидетельствует о повышении быстродействия способа по сравнению с прототипом.
Все это указывает на наличие новизны предложенного способа.
Следует отметить, что способ является наиболее универсальным, не требует сложных вычислений и может быть легко реализован.
Источники информации
1. Справочник по радиоконтролю. Международный союз электросвязи. - Женева: Бюро радиосвязи. 2002. - 585 с.
2. Корнеев И.В., Ленцман В.Л. и др. Теория и практика государственного регулирования использования радиочастот и РЭС гражданского применения. Сборник материалов курсов повышения квалификации специалистов радиочастотных центров федеральных округов. Книга 2. - СПб.: СПбГУТ. 2003.
3. Патент RU №2306579, опубл. 20.09.2007 г.
4. Е. Корн и Т. Корн. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров/ Под ред. Арамановича И.Г. - М.: Наука. 1968.- 720 с.
Мультипликативный разностно-относительный способ стационарно-мобильного определения координат местоположения источника радиоизлучения, основанный на измерении уровней сигналов источника радиоизлучений (ИРИ) в нескольких точках пространства, не лежащих на одной прямой, сканирующими радиоприемными устройствами, перемещающимися в пространстве, отличающийся тем, что для измерения уровней сигналов ИРИ применяют два стационарных поста радиоконтроля, а мобильный пост радиоконтроля, используемый в качестве базового, соединяют со стационарными постами линиями связи и перемещают по Μ≥1 точкам, измеряют на стационарных радиоконтрольных и мобильном постах уровни сигналов ИРИ, составляют на последнем 
и 
мультипликативных функций, представляющих сочетания, взятые по два и по три, из вычисленных 
парных сочетаний (М+2) разностей отношений расстояний, рассчитанных от точек измерения до местоположения искомого ИРИ по заданным его координатам, и вычисленных 
парных сочетаний (М+2) обратных отношений соответствующих измеренных величин уровней сигналов источника, дихотомически или методом наискорейшего спуска изменяют значение каждого из параметров местоположения ИРИ при неизменных значениях двух других и находят точки экстремумов 
парных мультипликативных функций и точки перегиба 
мультипликативных функций, взятых по три, фиксируя после N кратного 
усреднения каждый найденный в этих точках параметр местоположения источника как окончательный.
