Однопозиционный корреляционный мультипликативный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения
ONE-POSITION CORRELATION MULTIPLICATIVE DIFFERENCE-RELATIVE METHOD FOR DETERMINING COORDINATES OF RADIO FREQUENCY EMISSIONS SOURCES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения УКВ-СВЧ диапазонов как цифровых, так и аналоговых видов связи, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы или государственной службы надзора за связью). Изобретение может быть использовано также при поиске местоположения средств радиосвязи, как возможных источников помех связи. Из известных способов и устройств, близким аналогом предлагаемого способа по технической сущности и предназначенным для использования при радиоконтроле, может быть [1].
Способ [1] основан на приеме сигналов тремя антеннами, образующими две пары измерительных баз, измерении разностей времени прихода сигналов ИРИ и детерминированных вычислений искомых координат.
К недостаткам способа следует отнести:
1. Большое количество антенн.
2. Способ не ориентирован на использование РКП.
3. Измерительные базы для вычисления разности времен прихода сигналов ИРИ парами антенн существенно ограничивают разнос этих антенн, не говоря о нецелесообразности и большой технической сложности реализации способа.
и
ц
ц
i
i
и
ij
и
ij
Известен угломерно-корреляционный способ оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения [2], принятый за прототип. Угломерно-корреляционный способ оценивания координат местоположения наземных источников радиоизлучения (ИРИ), заключающийся в том, что на борту самолета-пеленгатора одновременно измеряют собственные координаты местоположения х(k), угол курса ψ(k), пеленг ИРИ (φ(k)), отличающийся тем, что бортовая вычислительная система (БВС) осуществляет разбиение участка местности вокруг ИРИ с грубо определенными прямоугольными координатами х, z на I×J прямоугольников с координатами центров x, z для каждого прямоугольника и всех точек пеленгации рассчитывают ожидаемые значения пеленгов, затем осуществляют поиск элементарного участка местности возможного местоположения ИРИ, которому соответствует совокупность измеренных значений пеленгов определяют текущее местоположение ИРИ по величине функционала качества, характеризующего степень соответствия текущей измеренной совокупности пеленгов и их ожидаемых расчетных значений, соответствующих элементарным участкам местности, координаты которых известны, при этом, в качестве функционала качества используется экстремум взаимно-корреляционной функции реализации φ(k) и φ(k), определяющий совпадение текущего местоположения ИРИ с измеренным элементарным участком местности, координаты которого известны, или взвешенные суммы квадратов разностей текущих измеренных и расчетных значений пеленгов φ(k) и φ(k), при этом критерием совпадения текущей реализации пеленгов и их расчетных значений является минимум функционала качества.
Недостатки прототипа:
1. Способ рассчитан только на применение на борту самолета-пеленгатора.
2. Требуется измерение собственных координат местоположения самолета-пеленгатора.
3. Требуется предварительное грубое определение местоположения ИРИ.
4. Требуется разбиение участка местности вокруг предполагаемого местоположения ИРИ.
5. Ожидаемые значения пеленгов искомого ИРИ зависят от координат местоположения ЛА и его курса и не связаны с параметрами ИРИ.
и
ij
ij
6. Критерием совпадения текущей реализации азимутов φ(k) и их расчетных значений φ(k), φ является минимум функционала качества φ(k), который может быть и неразличим на уровне шумов этого функционала.
7. Статистика измерения азимутов ограничена по времени нахождения ЛА в зоне возможного местоположения ИРИ и нет простого способа ее увеличения для повышения точности определения координат местоположения ИРИ.
Целью настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего определение координат местоположения ИРИ УКВ-СВЧ диапазонов из одного РКП без недостатков, присущих прототипу.
Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом:
Однопозиционный корреляционный мультипликативный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения (КМПИРИ), основанный на измерении параметров искомого источника радиоизлучений (ИРИ) на одном радиоконтрольном посту (РКП) и вычислении тех же параметров в точках, местоположение которых полагается известным, отличающийся тем, что используют его, как для цифровых, так и аналоговых видов связи и, при этом, измеряют напряженность поля искомого ИРИ и азимут на него, применяя РКП с логопериодической поворотной антенной системой (ЛПАС), на расстоянии нескольких угловых минут, относительно РКП, задают координаты местоположения j виртуальных постов (ВП) на расстоянии в несколько угловых минут от РКП, составляют перечень из i базовых РЭС (i БРЭС), находящихся по базе данных РЭС используемого РКП в секторе утроенного среднего квадратического отклонения измеренного азимута ϕ, и вычисляют напряженность поля в месте расположения РКП и j ВП, создаваемую каждым из источников i БРЭС, известных по соответствующей базе данных используемого РКП, вычисляют азимуты ϕ с РКП и ψ с каждого из j ВП на i БРЭС, используя координаты их местоположения и устанавливают корреляционные зависимости между вычисленными напряженностями поля (КЗН) на каждом j ВП и РКП и корреляционные зависимости азимутов у (КЗА) для каждой из J пар РКП/ВП на i БРЭС с j ВП от азимутов ϕ на них же с РКП, составляют I×J мультипликативных разностно-относительных уравнений, представляющих произведения двух разностей отношений: вычисленных напряженностей на РКП к вычисленным напряженностям на ВП, создаваемых каждым из i БРЭС и обратных отношений соответствующих расстояний ПТ до j ВП к расстоянию от ПТ до РКП; вычисленных напряженностей на РКП к вычисленным напряженностям на j ВП, создаваемых каждым из i БРЭС, и соответствующих отношений азимутов с РКП на i БРЭС к соответствующим азимутам с j ВП на i БРЭС, и изменяют координаты ПТ, фиксируя их, как переопределенные координаты i БРЭС, при достижении каждым мультипликативным уравнением своего минимума, получая, при этом, путем вычисления по переопределенным координатам и координатам РКП измеренные (переопределенные) азимуты на i БРЭС, а следовательно, и КХА для всех J пар РКП/ВП, как зависимости разности истинных и измеренных (переопределенных) от измеренных (переопределенных) азимутов, после чего формируют КХД и КХШ, как зависимости истинных долгот и широт координат i БРЭС от измеренных (переопределенных) долгот и широт координат i БРЭС, затем, вычисляют напряженность поля на j ВП по КЗН и измеренным значениям напряженности на РКП от ИРИ и получают отношения измеренных напряженностей на РКП к вычисленным напряженностям на j ВП, а также отношения азимутов с РКП на ИРИ к соответствующим азимутам с j ВП на ИРИ, используя измеренные азимуты с РКП и полученную КЗА для каждой J пары РКП/ВП, корректируют азимуты, используя КХА, вычисляют предварительные координаты ИРИ аналогично переопределению координат iБРЭC, корректируют найденные координаты ИРИ, используя КХШ и КХД, усредняют по всем J парам РКП/ВП и затем фиксируют их, как окончательные КМПИРИ.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 - расположение РКП, ВП, ИРИ и iБРЭС;
Фиг. 2 - корреляционная зависимость азимутов для двух пар РКП/ВП, пример;
Фиг. 3 - корреляционная зависимость напряженностей для пары РКП/ВП, пример;
Фиг. 4 - калибровочная характеристика по азимутам для пары РКП/ВП, пример;
Фиг. 5 - калибровочная характеристика по долготе для пары РКП/ВП, пример;
Фиг. 6 - калибровочная характеристика по широте для пары РКП/ВП, пример.
Способ основан на корреляционном принципе и предусматривает выполнение следующих девяти этапов:
ркп
1. Измерение на одном РКП азимута ϕ на искомый ИРИ и напряженности поля Е от него.
2. Применение j дополнительных, так называемых виртуальных постов (jВП), задаваемых своими координатам и i эталонных базовых РЭС (iБРЭС) в секторе утроенного среднеквадратического отклонения измеренного азимута ϕ на ИРИ.
i
3. Измерение на РКП азимутов γ на i эталонных базовых РЭС (iБРЭС) с целью формирования калибровочных характеристик способа.
4. Вычисление по координатам РКП, jВП и iБPЭC и их параметрам истинных азимутов с РКП и с jВП на iБРЭС и напряженностей от iБРЭС на РКП и jВП.
5. Формирование по результатам вычислений азимутов и напряженностей полей на РКП и jB j ВП корреляционных зависимостей по азимутам (КЗА) и напряженностям (КЗН) для пар РКП/ВП.
6. Формирование по результатам измерений (переопределений) координат iБPЭC калибровочных характеристик (КХ) по азимутам (КХА), долготам (КХД) и широтам (КХШ) для j пар РКП/ВП.
7. Определение отношений измеренных на РКП от ИРИ напряженностей к вычисленным напряженностям по КЗН на j ВП, а также отношений измеренных азимутов на РКП к вычисленным по КЗА для j ВП.
8. Корректировка измеренных азимутов и КМПИРИ по полученным КХ.
9. Усреднение вычисленных КМПИРИ по всем сочетаниям .
Корреляционный принцип, заключающийся в установлении корреляционной зависимости, приведенной на фиг. 2, не только напряженностей (КЗН), вычисленных на каждом из jВП от напряженностей, измеренных или вычисленных на РКП, но и в установлении корреляционной зависимости их отношений от обратных отношений расстояний от каждой из набора точек, лежащих в заданном секторе азимутов, до заданных каких-либо точек с фиксированными координатами, в частности, до РКП и jВП.
Корреляционный принцип заключается и в установлении корреляционной зависимости между отношениями напряженностей от i БРЭС, создаваемых ими на РКП и в j ВП и отношениями соответствующих азимутов с РКП на i БРЭС и азимутов с jВП на эти же i БРЭС. Напряженности в любой точке (РКП или jВП) вычисляют по известной программе [3], разработанной Ярославльским университетом. В качестве дополнительной точки в способе предложен виртуальный пост (ВП), координаты которого задаются. При использовании j ВП их размещают не на одной прямой с РКП и удаляют от него на несколько угловых минут от МП РКП. Для определения КМПИРИ, кроме отношения напряженностей, используют сведения об азимутах на ИРИ.
Измерение азимута на ИРИ выполняют с помощью узконаправленной логопериодической поворотной антенной системы (ЛПАС) на РКП. Так как по одному азимуту КМПИРИ получить нельзя, то вычисляют дополнительный азимут с jВП. Азимуты же с j ВП на ИРИ вычисляют по измеренному на РКП азимуту и предварительно полученной расчетным путем корреляционной зависимости азимутов (КЗА). Корреляционную зависимость азимутов КЗА выявляют по результатам расчета азимутов с МП РКП и МП ВП на i базовые РЭС (i БРЭС), используя базу данных РЭС применяемого РКП. При этом используют только те i БРЭС, которые расположены своими координатами и в секторе утроенного среднеквадратического отклонения измеренного азимута ϕ на ИРИ от (фиг. 1).
ркп
вп
i
i
В качестве примера, на фиг. 2 приведена КЗА азимутов для двух пар РКП/ВП. Получают корреляционную зависимость между азимутами γ с РКП и азимутами γ с ВП путем расчета азимутов, используя известные координаты РКП (хркп, уркп), j ВП (хвп, увп) и i БРЭС (x, y), по одной и той же формуле:
iркп
iвп
иiркп
iркп
иiркп
иiркп
iркп
иiркп
По вычисленным массивам азимутов γ и γ на все i БРЭС по программе Excel устанавливают корреляционную зависимость, представляемую в виде графика, которую затем аппроксимируют полиномом и используют в дальнейшем для вычисления по ней азимута ψ с j ВП на ИРИ по измеренному на РКП азимуту ϕ на ИРИ. Такое использование КЗА правомерно, так как искомый ИРИ находится среди отобранных i БРЭС по азимуту. Находятся они и по дальности в той же зоне электромагнитной доступности используемого РКП, что и искомый ИРИ. Затем, с РКП многократно измеряют азимут γ на каждое из i БРЭС. Все значения измеренных азимутов на каждое из i БРЭС усредняют. Вычисленные значения азимутов γ с РКП на i БРЭС и соответствующие измеренные на РКП и усредненные значения азимутов γ на те же i БРЭС позволяют получить и калибровочную характеристику (КХА) пары РКП/ВП по азимутам для использования ее в дальнейшем при корректировке измеренных значений азимутов ϕ на ИРИ. Калибровочная характеристика азимутов (КХА), как зависимость разности δ=γ-γ измеренных и вычисленных азимутов по (1) на i БРЭС, или как зависимость величины ошибки от вычисленных значений азимутов γ, ввиде примера, приведена на фиг. 4. Эта разность, аппроксимируется полиномом и, в дальнейшем используется для коррекции измеренных и вычисляемых азимутов. Аналогично ей получают калибровочную характеристику способа по долготе (КХД) (фиг. 5) и широте (КХШ) (фиг. 6) для корректировки КМПИРИ с целью повышения точности их вычисления.
Для получения калибровочных характеристик КХД и КХШ составляют для каждой пары РКП/ВП мультипликативное уравнение вида:
ркп
ркп
вп
иiркп
иiркп
вп
ркп
вп
По измеренным на РКП напряженностям E и вычисленным, по полученной КЗН и измеренным Е, на j ВП напряженностям Е от i БРЭС, получают их отношения . Измеренные ранее на РКП азимуты γ на i БРЭС корректируют по КХА. Вычисляют, используя азимуты γ и КЗА, азимут γ на те же i БРЭС. Корректируют по КХА их значения. Получают отношение азимутов . Затем, задают положение пробной точки (ПТ) координатами в области размещения i БРЭС. Вычисляют расстояния R от ПТ до МП РКП и расстояния R от ПТ до МП j ВП и их отношения . Перемещают ПТ, последовательно или дихотомически изменяя ее координаты (х,у) по области размещения i БРЭС, до тех пор пока значение П(х,у) не достигнет минимума. Это значение координат ПТ и фиксируют, как местоположение i БРЭС. Сопоставление истинных значений долгот(х) и широт(у) с зафиксированными значениями долгот и широт ПТ дает калибровочные характеристики КХД и КХШ, как зависимости истинных координат местоположения i БРЭС от вычисленных. Эти характеристики, полученные для i БРЭС, применяют для корректировки координат искомого ИРИ, так как он находится в той же области, что и i БРЭС. Для вычисления КМПИРИ составляют уравнение аналогичное выражению (2):
ркп
ркп
На РКП измеряют напряженность R и азимут ϕ на ИРИ. По КЗН и КЗА вычисляют для всех j ВП напряженность поля и азимут на ИРИ. Корректируют измеренные и вычисленные азимуты по КХА. Задают координатами начальное положение ПТ в пределах зоны электромагнитной доступности используемого РКП. Вычисляют отношения напряженностей, азимутов и расстояний, перемещая ПТ в этой зоне путем последовательного или дихотомического изменения ее координат до тех пор, пока выражение (3) не достигнет минимума. Полученные значения КМПИРИ корректируют по КХД и КХШ для каждой из j пар РКП/ВП. Затем усредняют по всем j парам РКП/ВП и фиксируют как окончательные КМПИРИ.
В заявленном способе устранены все недостатки прототипа.
Предложенный способ является универсальным для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, как цифровых, так и аналоговых видов связи Способ является универсальным, не только по видам связи, но и по расположению искомых ИРИ - на поверхности Земли или в пространстве. Используется сканирующий радиоприемник с логопериодической поворотной антенной системой. Не требует затрат на дополнительное оборудование, например, в виде радиоприемного устройства с автокоррелятором и пеленгатора. За счет применения виртуальных постов достигается без каких-либо затрат большая статистическая база, позволяющая повысить точность определения координат ИРИ. Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги и наиболее близкий из них - прототип, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого способа определения координат местоположения ИРИ, отсутствуют и, следовательно, заявляемый способ обладает свойством новизны.
Исследование известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показало, что он не следует явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение указанного результата, что позволяет считать заявляемый объект, соответствующим уровню патентоспособности "изобретательский уровень".
Источники информации
1. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения. Патент РФ №2325666 С2. Авторы: Сайбель А.Г., Сидоров П.А.
2. Угломерно-корреляционный способ оценивания координат местоположения наземных источников радиоизлучения. Патент РФ №2458358. Авторы: Верб B.C., Гандурин В.А., Косогор А.А., Меркулов В.И., Миляков Д.А., Тетеруков А.Г., Чернов B.C.
3. Проектирование и анализ радиосетей. Описание и инструкция по эксплуатации. Ярославль, 2009.