СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ СТАНЦИИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПО РЕТРАНСЛИРОВАННОМУ СИГНАЛУ
METHOD OF DETERMINING LOCATION OF SATELLITE EARTH STATION ACCORDING TO A REPEATED SIGNAL

Способ относится к радиотехнике, а именно к способам определения местоположения источников радиоизлучения, и может быть использован для определения местоположения земных станций (ЗС) спутниковой связи (СС) посредством приема и обработки их сигналов, ретранслированных от космических аппаратов (КА), на удаленной приемной земной станции (ПЗС), т.е. на земной станции определения местоположения (ЗCOM).
Известен способ и система определения положения объекта (см. [1]) с использованием фиксированной станции и множества спутников Земли, чье положение известно. Отдельные периодические сигналы передаются со станции через первый и второй спутники к объекту, позицию которого надо определить. Фазовый сдвиг в периодических характеристиках периодических сигналов, полученных от первого и второго спутников, измеряется на объекте. Фазовый сдвиг характеризует относительную разницу во времени прохождения сигналов, идущих двумя разными путями к объекту. Объект посылает через первый спутник обратный сигнал, указывающий на измеренную относительную временную разницу. Этот обратный сигнал используется в дальнейшем в соответствии с местным временем объекта, которое корректируется по приему периодического сигнала, посылаемого через первый спутник. Это время в дальнейшем является началом особого временного периода, определяемого режимом работы станции. На станции используют задержку прохождения сигнала, определяемую разницей между тактовым импульсом текущей передачи и таковым импульсом приема обратного сигнала, а также измененную временную разницу, посылаемую с обратным сигналом для вычисления расстояний между первым и вторым спутниками до объекта, из которых определяется положение объекта.
Недостатком известного способа является необходимость ответной передачи с объекта, чьи координаты необходимо определить, обратного сигнала на станцию, где происходит расчет координат объекта. Указанный факт существенно ограничивает область применения известного способа.
Известен способ местоопределения источника радиоизлучения (ИРИ) (см. [2]), который относится к пассивным системам радиоконтроля. Сущность известного способа заключается в предварительной доставке в предполагаемый район нахождения ИРИ трех кассет. При этом доставка осуществляется пуском минимум трех носителей, каждый из которых содержит кассету, включающую навигационный приемник и приемопередатчик. Приемопередатчик включает в себя панорамный приемник и передатчик параметров сигналов. После фиксации в грунте носителя навигационный приемник и приемопередатчик одновременно по сигналу «пуска» или автоматически приводятся в работоспособное состояние. По сигналам навигационного приемника определяют координаты мест фиксации в грунте каждого носителя. Каждый приемопередатчик, имеющий панорамный приемник, осуществляет поиск сигналов ИРИ в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ осуществляется его оцифровка и передача с помощью передающего устройства приемопередатчика через спутник-ретранслятор на пункт радиоконтроля. На пункте радиоконтроля по поступившим данным осуществляется определение местонахождения ИРИ относительно координат навигационных приемников. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности местоопределения ИРИ, размещенных в труднодоступной местности.
Недостатком известного способа является необходимость предварительной доставки в район размещения ИРИ нескольких кассет, содержащих навигационные приемники и приемопередатчики, что ограничивает область применения известного способа.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу (см. [3]).
i
i
В способе-прототипе принимают сигнал от ЗС на ПЗС, измеряют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для всей трассы "ЗС - спутник - ПЗС" в соответствующие моменты времени t с шагом Δt, обрабатывают их. На основе обработки вычисляют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы "ЗС - спутник". Общее число Q измеренных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы "ЗС - спутник - ПЗС" и вычисленных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы "ЗС - спутник" выбирают из условия , а значение Δt выбирают в пределах Δt=30…6000 с. Запоминают упомянутые Q значения и соответствующие им моменты времени t. Вычисляют размер максимальной пеленгационной базы (ПБ), причем ПБ являются различные пары точек орбиты спутника, запоминают его. Группируют попарно все возможные сочетания ПБ на интервале упомянутых Q значений с шагом n=ΔT/Δt, где ΔT - временной шаг формирования ПБ. Сравнивают размеры ПБ в сгруппированных парах с пороговым значением, выделяют пары ПБ, в которых обе ПБ не короче порогового значения. Измеряют угол между ПБ в выделенных парах ПБ, сравнивают измеренный угол с пороговым значением. Выбирают пары ПБ, в которых измеренный угол между ними не менее порогового значения, и для каждой из выбранных пар ПБ интегрируют на соответствующем каждой ПБ интервале времени запомненные значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы "ЗС - спутник". Определяют разностнодальномерным способом (РДС) местоположение ЗС. А после определения местоположения запоминают координаты ЗС, усредняют запомненные координаты, а результат усреднения определяют как окончательное местоположение ЗС.
Недостатком способа-прототипа является высокий уровень погрешности при определении координат. Это обусловлено тем, что способ-прототип предполагает реализацию процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах ПБ. На практике сложно обеспечить приемлемую точность данных измерений. Кроме того, способ-прототип предполагает реализацию не менее 100 измерений значений доплеровского сдвига частоты сигнала.
Целью заявляемого технического решения является разработка способа определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу посредством РДС, обеспечивающего снижение погрешности измерения координат ЗС за счет исключения процедур измерения значений доплеровского сдвига частоты сигнала и связанных с ними процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах ПБ.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу от КА принимают ретранслированный сигнал от ЗС на ЗСОМ, измеряют временные задержки сигнала, запоминают их, а затем используют запомненные значения для определения РДС местоположение ЗС. При этом ЗCOM снабжена тремя антеннами Ант1, Ант2, Ант3, многоканальным когерентным радиоприемником (РПУ) и радиопередатчиком (РПД).
Первоначально посредством РПД формируют и излучают тестовый радиосигнал (ТРС), когерентно принимают его ретранслированные копии не менее чем от трех космических аппаратов КА1, КА2, КA3 с известными координатами, находящихся в зоне электромагнитной доступности (ЭМД) ЗCOM и ЗС, на Ант1, Ант2 и Ант3, подключенных к многоканальному когерентному РПУ. Причем ретранслированный ТРС от КА1, КА2, КА3 принимают соответственно с помощью Ант1, Ант2, Ант3.
Компенсируют частотные нестабильности каждого из когерентных каналов многоканального РПУ по результатам приема ТРС. Вычисляют наклонные дальности от ЗCOM до КА1, КА2, КА3 и корректируют координаты космических аппаратов КА1, КА2, КА3 по результатам измерения наклонных дальностей до ЗCOM с использованием ТРС.
Затем когерентно принимают ретранслированные копии сигнала от ЗС, причем ретранслированный сигнал от КА1 принимают на Ант1, ретранслированный сигнал от КА2 принимают на Ант2, а ретранслированный сигнал от КА3 принимают на Ант3. А в качестве задержек сигналов используют измеренные значения временных разностей приема ретранслированных сигналов ЗС с направлений на космические аппараты КА1 и КА2 и с направлений на космические аппараты КА1 и КА3. Причем задержки сигналов измеряют корреляционным методом.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном техническом решении на ЗCOM осуществляется определение местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу посредством РДС без процедур измерения значений доплеровского сдвига частоты сигнала и связанных с ними процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах ПБ, что указывает на возможность реализации сформулированного технического результата.
Заявленный способ поясняется чертежами:
на фиг. 1 поясняется сущность заявляемого технического решения для условия, когда в зоне ЭМД как ЗС, так и ЗCOM находятся три космических аппарата КА1, КА2, КА3, работающих в режиме ретрансляции сигналов, здесь пунктирной линией показаны трассы прохождения ТРС, а сплошной линией показаны трассы прохождения сигнала от ЗС, ретранслированного от КА1, КА2 и КА3;
КА1
КА2
КА3
1
2
3
11
12
13
12
13
КА2
КА1
КА3
КА1
на фиг. 2 поясняется сущность измерения задержек сигналов корреляционным методом, здесь показаны принятые когерентным ПРМ сигналы s(t), s(t), s(t) с амплитудами U, U, U, соответственно ретранслированных от КА 1, КА 2, КА 3, вычисленные корреляционные функции A(t), A(t), A(t) и измеренные значения временной задержки Δτ, Δτ времени прихода соответственно сигналов s(t), относительно сигнала s(t) и сигнала s(t), относительно сигнала s(t).
Возможность реализации заявленного способа определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу объясняется следующим.
Для организации связи ЗС настраивается на один из КА по основному лепестку своей диаграммы направленности (ДН) и излучает сигнал S(t) на частоте работы, определяемой техническими характеристиками СС (на фиг. 1 в качестве КА, на который излучается сигнал по основному лепестку ДН, выступает КА1). В результате, ретранслированный от КА сигнал будет доступен для всех ЗС, находящихся в зоне ЭМД, обеспечиваемой антенными системами КА, осуществляющего ретрансляцию сигнала. Следовательно, если ЗCOM будет находиться в зоне ЭМД КА, то ее ПРМ смогут принять ретранслированный сигнал.
В тоже время, в зоне нахождения КА могут находиться и другие космические аппараты, на которые сигнал, излученный ЗС, будет приходить или по основному лепестку ДН, или по боковым лепесткам ДН (на фиг. 1 в качестве таких космических аппаратов выступают КА2 и КА3). Следовательно, эти (другие КА), также будут излучать ретранслированный сигнал, принимаемый ими от ЗС.
Если ЗCOM находится в зоне ЭМД, формируемой антенными системами других КА (для случая, представленного на фиг. 1, в качестве других КА выступают КА2 и КА3), то ее ПРМ также смогут принимать сигналы ретранслированные от КА2 и КА3, т.е. других КА.
В результате, если ЗCOM в своем составе будет иметь многоканальный когерентный ПРМ, к каждому тракту которого будут подключены антенные системы, направленные на соответствующие космические аппараты, то для ЗCOM открывается возможность когерентного приема сигнала ЗС, ретранслированного от этих космических аппаратов. Для ситуации, представленной на фиг. 1, сигнал от ЗС, в результате ретрансляции от КА1, КА2 и КА3 поступает на Ант1, Ант2 и Ант3, подключенные к соответствующим трактам когерентного ПРМ, расположенного на ЗCOM.
В интересах повышения точности измерения координат ЗС в заявляемом техническом решении дополнительно корректируют значение наклонной дальности от ЗCOM до КА1, КА2 и КА3, а также компенсируют частотные нестабильности когерентных каналов многоканального РПУ. С этой целью формируют ТРС с известными параметрами и излучают его посредством ПРД. После ретрансляции от КА1, КА2, КА3 ТРС посредством Ант1, Ант2, Ант3 приминается когерентным ПРМ и посредством процедур корреляции излученного ТРС и его принятых ретрансляционных копий вычисляют величины задержек, характеризующихся наклонной дальностью от ЗCOM, соответственно, до КА1, КА2, КА3.
Наклонные дальности рассчитывают по формуле
j
где Δτ - рассчитанное значение задержки принятого после ретрансляции ТРС через j-й КА относительно его запомненной копии; с - скорость света.
Кроме того, по результатам искажений принятых версий ретранслированного ТРС, относительно запомненной копии, полученных при прохождении их трактов приема в многоканальном ПРМ, производят коррекцию амплитудно-частотных характеристик каждого из приемных трактов.
Реализации в отдельности каждой из процедур, составляющих сущность заявляемого технического решения известны.
Так, процедуры вычисления начальных координат и начального значения наклонной дальности от ЗСОМ до каждого из КА, в зоне ЭМД которых находятся как ЗС, так и ЗCOM, известны и описаны в [3] и [5], что указывает на их практическую реализуемость.
Процедуры приема ретранслированного сигнала от каждого из КА (в ситуации, представленной на фиг. 1, соответственно от КА1, КА2, КА3) независимо отдельными трактами приема многоканального когерентного РПУ, проводимые на ЗCOM известны. Применение многоканальных когерентных приемников при реализации РДС описано, см., например, в [6]. В [6] рассмотрены процедуры коррекции амплитудно-частотных характеристик каждого из приемных трактов многоканального РПУ, проводимых в интересах когерентного приема сигналов.
Процедуры определения зон ЭМД, формируемых антенными системами КА, известны, см. [5].
Процедуры приема и измерения амплитуды ретранслированного сигнала в каждом независимом тракте приема известны и описаны, например, в [5], [7], [8].
Процедуры корреляции сигналов известны, см. [9].
СP1
CP2
CP3
1
2
2
В качестве примера, на фиг. 2 показаны временные диаграммы принятых версий сигнала ЗС, s(t), s(t), s(t) с амплитудами U, U, U, соответственно ретранслированных от КА 1, КА 2, КА 3.
11
12
13
11
Здесь показаны вычисленные корреляционные функции A(t), A(t), A(t). Корреляционные функции рассчитывались относительно версии принятой от основного КА (для случая, рассматриваемого на фиг. 1, это КА1). Следовательно, максимальное значение корреляционной функции A(t) не имеет задержки.
12
13
Временные задержки Δτ, Δτ образуются в результате различной протяженности трасс прохождения сигналов от ЗС, через соответствующие КА до ЗCOM.
12
13
На фиг 2. Значения Δτ, Δτ получены из условия, что трасса ЗС - КА1 - ЗCOM была самая короткая.
При реализации процедур коррекции координат каждого из космических аппаратов (для фиг. 1 - это КА1, КА2, КА3) их оценочные значения формируются с учетом измеренной наклонной дальности.
Корреляционным методом измеряют задержку формируемого ПРД ТРС и его принятых версий в каждом из каналов когерентного ПРМ, после чего рассчитывают наклонные дальности от ЗCOM до КА1, КА2, КА3.
КА1
КА2
КА3
Процедуры коррекции вектора координат каждого из КА в декартовой системе, соответственно, V, V, V, рассчитывают по следующей формуле
ЗСОМ
где V - вектор декартовых координат ЗCOM;
ИСХ
V - вектор декартовых координат КА, полученных из доступных сводок, см. [3], [5];
КА-ЗСОМ
ИСХ
D - наклонная дальность от ЗCOM до КА, рассчитанная при условии, что координаты V получены из доступных сводок, см. [3], [5];
- наклонная дальность, измеренная в соответствии с формулой (1).
Для определения РДС местоположения ЗС используются алгоритм, характерный для позиционных способов координатометрии (КМ), представленный в [4], включающий следующие основные этапы:
измерение одного из физических параметров (координатно-информативных параметров (КИП)) радиосигналов ЗС, ретранслированных космическими аппаратами КА1, КА2, КА3;
вычисление параметров положения, соответствующих каждому из КИП;
построение линий (поверхностей) положения по параметрам положения;
определение местоположения ЗС на пересечении линий (поверхностей) положения.
Параметром положения называется рассчитываемая системой ОМП геометрическая величина, связанная однозначной зависимостью с КИП. Линией (поверхностью) положения называется геометрическое место точек на плоскости или в пространстве, для которых рассчитанный параметр положения постоянен, см. [4].
Использованием трех космических аппаратов КА1, КА2, КА3 в качестве опорных точек обеспечивает решение задачи определения местоположения ЗС с использованием РДС.
РДС обеспечивает определение двух независимых значений разностей дальностей ЗС относительно двух пар КА и нахождение точки пересечения двух гиперболических и одной сферической поверхностей положения ЗС см. [6]. Физические координаты ЗС находятся из системы уравнений
КАj
КАj
КАj
ЗС
ЗС
ЗС
КА1-ЗС
ЗС
где х, y, z - координаты j-го КА; j=1…3; х, y, z - неизвестные координаты ЗС; D - наклонная дальность от 1-го КА до ЗС;  - разность расстояний от 1-го и j-го КА до ЗС;  - временная задержка одной и той же реализации радиосигнала, принятого j-м и 1-м КА; R - расстояние от центра Земли до ЗС, т.е. сумма радиуса Земли в предполагаемом месте расположении ЗС с высотой нахождения ЗС.
Решение системы уравнений (3) известно, см. [10].
Таким образом, последовательное выполнение всей совокупности технических процедур, являющихся существенными признаками заявляемого технического решения, удается достичь цели заявляемого технического решения, заключающейся в разработке способа определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу посредством РДС, обеспечивающего снижение погрешности измерения координат ЗС за счет исключения процедур измерения значений доплеровского сдвига частоты сигнала и связанных с ними процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах ПБ.
Литература
1. Вильям Дж. Эймс, Ирвин М. Джекобс, Линдсей А. Вивер и др. Способ (варианты) и система для определения положения объекта. Патент РФ №2084916 по заявке 5011890/09, 30.11.1990.
2. Козирацкий А.Ю., Козирацкий Ю.Л., Ляхов П.Р. и др. Способ местоопределения источника радиоизлучения. Патент РФ №2363011 по заявке 2008109544/09, 12.03.2008.
3. Асеев А.Ю., Баушев С.В., и др. Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу. Патент РФ №2172495 по заявке 2000111343/09, 06.05.2000.
4. Дворников С.В., Саяпин В.Н., Симонов А.Н. Теоретические основы координатометрии источников радиоизлучений. СПб.: ВАС, 2007.
5. Челышев В.Д., Якимовец В.В. Радиоэлектронные системы органов административного и военного управления. Часть первая. Радиоинтерфейсы систем мобильного радиосервиса: Учебник. - СПб.: ВАС, 2006. - 576 с.
6. Волков Р.В., Дворников С.В., Саяпин В.Н., Симонов А.Н. Основы построения и функционирования разностно-дальномерных систем координатометрии источников радиоизлучений. - СПб.: ВАС, 2013 г. - 116 с.
7. Дворников С.В., Кудрявцев A.M., Ракицкий Д.С., Ровчак А.Ю., Супян А.Ю., Устинов А.А. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент на изобретение RUS №2382495, от 17.02.2009.
8. Дворников С.В. Метод обнаружения на основе посимвольного перемножения реализаций спектра наблюдаемого процесса с автоматическим расчетом порога принятия решения. Научное приборостроение. - 2004. Т. 14. №4. - С. 92-97.
9. Бобровский В.И., Дворников С.В., Дворников С, С. И др. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой демодуляцией. Патент на изобретение RU №2469487, от 12.07.2011.
10. Севидов В.В. Варианты реализации разностно-дальномерного метода определения координат земных станций по сигналам спутников-ретрансляторов. В сборнике: Радиотехника, электроника и связь (РЭиС-2015) III Международная научно-техническая конференция. 2015. С. 303-308.