РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ НА БАЗЕ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM С КАНАЛОМ ОБНАРУЖЕНИЯ "НА ПРОСВЕТ"

Предлагаемое изобретение относится к разнесенной радиолокации и может быть использовано для обнаружения и измерения координат целей в воздушном и приземном пространстве в поле подсвета базовых станций сотовой связи стандарта GSM. Техническим результатом предлагаемого изобретения является обнаружение методом «на просвет» [1] малозаметных в радиолокационном диапазоне целей, находящихся в поле подсвета базовых станций (БС) сотовой связи.
Известна подвижная система обнаружения объекта и способ использования сигналов, передаваемых мобильной телефонной станцией (патент США №6930638 B2, 1.08.2001, G01S 3/00; G0S 13/46; G0S 13/58; G0S 13/92; H04Q 7/34; G0S 3/46) содержащая приемник, имеющий первую и вторую антенны, и средство обработки, причем первая (опорная) антенна выполнена с возможностью приема прямого сигнала, базовой станции мобильной телефонной связи; а вторая (целевая) антенна выполнена с возможностью приема сигнала базовой станции, отраженного от объекта. Средство обработки сравнивает сигнал, принимаемый от базовой станции с сигналом, отраженным от объекта и определяет скорость и положение объекта. Система состоит из множества базовых станций мобильной телефонной связи, которые передают сигнал. Недостаток системы - отсутствие средств компенсации проникающего по боковым лепесткам целевой антенны прямого сигнала базовой станции, что приводит к появлению ложных отметок.
Известна бистатическая радиолокационная станция с обнаружением «на просвет» (Евразийский патент №007143, 2004.12.23 G01S 13/06, G01S 7/42), содержащая передающую позицию, излучающую квазигармонический сигнал, приемную позицию и рабочее место оператора. Причем приемная позиция состоит из последовательно соединенных приемной антенны с многолучевой диаграммой направленности, обращенной в сторону передающей позиции и N приемных каналов (по числу лучей диаграммы направленности приемной антенны), блока измерения пеленга, блока формирования траектории и распознавания классов воздушных целей. Каждый из N приемных каналов состоит из последовательно соединенных приемника, устройства режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех и блока измерения частоты Доплера. Недостаток бистатического радиолокатора состоит в формировании узкополосного специализированного квазигармонического сигнала, а также узкой пространственной зоны просветного обнаружения, формируемого одним передатчиком. Поэтому для создания широкого поля обнаружения « на просвет» необходимо развертывание большого количества передающих позиций. Применение известного аналога для локации целей в поле подсвета иных, например связных и широковещательных, источников подсвета безрезультатно. Так, структура сигнала стандарта GSM не является квазигармонической, и содержит дискретные битовые, слотовые и кадровые составляющие [6]. Дискретная структура сигнала не позволит реализовать техническое решение приведенное в аналоге в секторах выходящих за пределы просветной зоны, а также за пределами зоны наложения минимального битового дискрета прямого и отраженного сигналов GSM [7].
Наиболее близким техническим решением к предполагаемой полезной модели, выбираемым в качестве прототипа, является радиолокационная станция со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM (Патент на полезную модель №144831, G01S 13/06, G01S 7/42), содержащая опорный, целевой каналы, M - канальный коррелятор обнаружения цели в координатах «суммарное время запаздывания - суммарная частота Доплера», оконечное устройство, служащее для определения отображения координат цели, и модем GPRS предназначенный для передачи информации удаленным потребителям. Подавление наиболее мощных мешающих помех (проникающего прямого сигнала базовой станции и помех отраженных от местных предметов) в РЛС осуществляется в автокомпенсаторе и в фильтре грубой селекции M-канального коррелятора.
Недостатком вышеназванной радиолокационной станции является невозможность реализации просветного метода обнаружения, поскольку примененные, в прототипе средства и методы снижения влияния проникающей помехи, обзора пространства, а также структура самого сигнала GSM не позволяют обнаруживать цели в секторе просветной локации. Теоретическое обоснование «просветного» эффекта в радиолокации приведено в [2-4], в соответствии с которым явление резкого возрастания эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) воздушных объектов при рассеянии вперед наблюдается для объектов, размеры которых существенно превышают длину волны λ, расположенных вблизи линии радиосвязи передатчик-приемник. При этом на величину просветной ЭПР не влияют меры противорадиолокационной маскировки объектов [5]. В соответствии с полученными в [1] экспериментальными данными, ширина «просветного» сектора локации, в пределах которого эффективная поверхность рассеяния скачком возрастает на 30-40 дБ, не превышает ±5 град.
Поэтому резкое увеличение амплитуды сигнала, отраженного движущейся малозаметной цели в «просветном» секторе не должно ограничиваться установленными в основном и опорном каналах логарифмическими усилителями. Кроме того, низкая частота биений, образующаяся при наблюдении цели «на просвет», потребует применения узкополосного низкочастотного фильтра частотной селекции, что в свою очередь приведет к введению в прототипе особого режима обзора в направлении «просветного» сектора или ведения отдельного канала, ориентированного на работу в «просветном» секторе.
Таким образом, целью заявляемой полезной модели является реализация обнаружения «на просвет» малозаметных целей с помощью выделенного канала в радиолокационной станции со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM.
Указанная цель достигается тем, что в радиолокационную станцию со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM, содержащую целевой и опорный каналы, последовательно соединенные M-канальный матричный коррелятор, оконечное устройство и модем GPRS, причем в целевом канале последовательно соединены обзорная антенна с устройством управления, супергетеродинный приемник, усилитель промежуточной частоты с логарифмической характеристикой усиления (УПЧЛ) на частоте усиления, в опорном канале последовательно соединены неподвижная и ориентированная на базовую станцию антенна, супергетеродинный приемник и УПЧЛ на частоте усиления, при этом М первых объединенных входов M-канального матричного коррелятора параллельно подключены к выходу УПЧЛ целевого канала, а вторых входов M-канального матричного коррелятора подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала, дополнительно введен канал обнаружения целей «на просвет», состоящий из последовательно соединенных ненаправленной приемной антенны, супергетеродинного приемника, первого смесителя два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику, первого фильтра грубой селекции (ФГС), регулируемого усилителя, вычитающего устройства, фильтра нижних частот (ФНЧ), а также из последовательно соединенных второго смесителя, и второго фильтра грубой селекции, причем два входа смесителя подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала, выход второго фильтра грубой селекции подключен ко второму входу вычитающего устройства, выход фильтра нижних частот подключен ко входу оконечного устройства.
Приведенная совокупность признаков отсутствует в исследованной патентной и научно-технической литературе по данному вопросу, следовательно предложенные технические решения соответствуют критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-6.
Фиг. 1 - блок-схема заявляемой РЛС.
Фиг. 2 - схема поясняющая принцип работы заявляемой РЛС.
Фиг. 3 - экспериментальные спектры автосвертки сигнала стандарта GSM.
Фиг.4 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ФГС и ФНЧ.
Фиг.5 - изображения экранов измерительных приборов, демонстрирующие работу вычитающего устройства.
ОК
ПК
ПК
ОК
пч
к
с
Фиг. 6. - изображение экспериментально полученных биений отраженного сигнала при обнаружении « на просвет». Аппаратура радиолокационной станции по фиг. 1 состоит из целевого 1 и опорного каналов 2, последовательно соединенных M-канального матричного коррелятора 3, оконечного устройства 4 и модема GPRS 5, причем в целевом канале последовательно соединены обзорная антенна с устройством управления 6, супергетеродинный приемник 7, усилитель промежуточной частоты с логарифмической характеристикой усиления (УПЧЛ) на частоте усиления 8, в опорном канале последовательно соединены неподвижная и ориентированная на базовую станцию антенна 10, супергетеродинный приемник 11 и УПЧЛ на частоте усиления 12, при этом М первых объединенных входов 14 M-канального матричного коррелятора 3 параллельно подключены к выходу УПЧЛ целевого канала 9, а М вторых входов 15 M-канального матричного коррелятора 3 подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала 12, дополнительно введен канал обнаружения целей 16 «на просвет», состоящий из последовательно соединенных ненаправленной приемной антенны 17, супергетеродинного приемника 18, первого смесителя 19 два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику 18, первого фильтра грубой селекции (ФГС) 20, регулируемого усилителя 21, вычитающего устройства 22, фильтра нижних частот (ФНЧ) 23, а также из последовательно соединенных второго смесителя 24, и второго фильтра грубой селекции 25, причем два входа второго смесителя 24 подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала 11, выход второго фильтра грубой селекции 25 подключен ко второму входу вычитающего устройства 22, выход фильтра нижних частот подключен ко входу оконечного устройства 23. Заявляемая радиолокационная станция со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет» работает следующим образом (фиг. 2). Произвольная j-базовая станция 27 сети сотовой связи стандарта GSM формирует ненаправленное или слабонаправленное (в зависимости от типа антенны БС) поле излучения 28. Радиолокационная станция 26 формирует: с помощью обзорной антенны 6 целевого канала 1, сканирующую в поле излучения 28, направленную диаграмму направленности 29, с помощью антенны 10 опорного канала 2 остронаправленную и ориентированную на базовую станцию 27 диаграмму направленности 30, с помощью антенны 17 канала обнаружения «на просвет» 16 компенсационную диаграмму слабой направленности 31. Диаграмма направленности антенны опорного канала 30 с коэффициентом усиления G формируется вдоль линии базы между базовой станцией 27 и радиолокационной станцией. Диаграмма направленности антенны канала обнаружения « на просвет» 17 имеет коэффициент усиления G, такой, что G<<G. В поле излучения БС могут оказаться воздушные объекты - радиолокационные цели 32. Цели находящиеся в любой точке сканирования антенны 6 целевого канала 1 обнаруживаются M-канальным матричным коррелятором, а их координаты определяются и отображаются в оконечном устройстве 4 в соответствии с описанием приведенным в прототипе [8]. При этом прямые сигналы базовой станции принятые антеннами 10 и 17, поступают на вход супергетеродинных приемников 11 и 18, где усиливаются и преобразуются на промежуточную частоту ω. Далее прямые сигналы базовой станции с выхода супергетеродинного приемника 11 поступают на входы второго смесителя 24, а с выхода супергетеродинного приемника 18 - на входы первого смесителя 19. В смесителях формируется сигнал автосвертки прямого сигнала. В основе иерархического разделения структуры кадров стандарта GSM находится кадр TDMA, длительностью τ=4615 мкс состоящий из 8 слотов длительностью τ=577 мкс каждый. Периодическая структура временных интервалов сигнала стандарта GSM приводит к тому, что спектр сигнала автосвертки сигнала GSM сигнала будет линейчатым и иметь наряду с центральной гармоникой ряд периодически следующих гармоник на частотах кратных  и  Экспериментально полученные гармоники спектра сигнала автосвертки GSM приведенные на фиг. 3а и б. Амплитуды напряжений автосверток отличаются на величину отношения коэффициентов усиления диаграмм направленности антенн:
АК
АК
Компенсация гамонических составляющих, кратных 216.6 Гц осуществляется в зонах режекции первого 20 и второго 25 ФГС, АЧХ которых приведены на рис. 4,а. Поскольку сигнал автосвертки прямого сигнала БС является мешающим, то для его компенсации в вычитающем устройстве необходимо увеличить амплитуду сигнала компенсирующей автосвертки на величину K в регулируемом усилителе 21. С выхода первого ФГС 20 сигнал компенсирующей автосвертки поступает на вход регулируемого усилителя 21 с коэффициентом усиления K. С выхода регулируемого усилителя 21 сигнал поступает на первый вход вычитающего устройства 22. На второй вход вычитающего устройства 22 поступает сигнал автосвертки с выхода второго ФГС 25. В вычитающем устройстве происходит компенсация прямого сигнала на видеочастоте. На фиг. 5, а приведены экспериментально снятые временное и спектральное изображения сигналов автосвертки до ФГС. На фиг. 5, 6 приведены экспериментально снятые временное и спектральное изображения сигналов автосвертки после вычитающего устройства. Полученный коэффициент подавления не менее 25 дБ. С выхода вычитающего устройства 22 результат вычитания сигналов автосверток поступает на вход фильтра нижних частот 23, АЧХ которого приведена на рис. 4,б. С выхода фильтра нижних частот 23 сигнал поступает на вход оконечного устройства. Работа оконечного устройства приведена в прототипе [8] и авторы не претендуют на его новизну.
При появлении цели 32 в узкой просветной зоне 30 антенны опорного канала 10 происходит резкое увеличение амплитуды отраженного сигнала за счет увеличения теневой эффективной поверхности рассеяния цели. После усиления и преобразования в супергетеродинном приемнике 11, сигнал поступает на входы второго смесителя 24. На выходе второго смесителя 24 формируются низкочастотные биения, образованные результатом перемножения отраженного сигнала самого на себя, что равносильно возведению в квадрат и демодуляции перемножаемых сигналов. При этом в слабонаправленной антенне 17 канала обнаружения «на просвет» 16 сигнал отраженный от малозаметной цели, не приводит к изменению суммарной амплитуды. Это объясняется проявлением просветного эффекта только в узкой пространственной зоне [5]. Поэтому после компенсации в вычитающем устройстве 22 в фильтре нижних частот будет выделяться результат биений с подавленным сигналом автосвертки. Далее информация с выхода фильтра нижних частот 23 канала обнаружения «на просвет» поступает на оконечное устройство 3 для визуализации и оценки времени обнаружения цели. Экспериментально полученный результат обнаружения в просветной зоне приведен на фиг. 6. На верхнем графике фиг. 6 показана временная диаграмма изменение амплитуды сигнала после вычитающего устройства, на нижнем графике показаны биения после фильтрации в фильтре нижних частот с полосами среза 5-40 Гц. При этом амплитуда биений возрастает на 15-20 дБ Канал обнаружения «на просвет» работает постоянно, в течение времени нахождения цели просветной зоне.
Научно-техническая литература.
1. Бляхман А.Б. и др. Бистатическая эффективная площадь рассеяния и обнаружение объектов при радиолокации на просвет. Радиотехника и электроника, т. 46, №3 2001.
2. Черняк Б.С. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993.
3. Scolnic M.I. Radar Handbook. McGrraw-Hill. New York, 1990.
4. Bistatic Radar: Principles and Practice. / Edited by M. Cherniakov. - John Wiley & Sons Ltd, West Sussex England, 2007.
5. Чапурский В.В. Синтезированная теневая радиоголография в бистатической радиолокации. Радиотехника, №3, 2009, стр. 52-69.
6. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. - Мю: Экотрейдз, 205-296.
7. Ковалев Ф.Н. Организация когерентно-импульсного режима работы РЛС с обнаружением «на просвет». Труды Нижегородского государственного технического университета,№1 (94), 2012 г.
8. Патент РФ №144831, МПК G01S 13/06, G01S 7/42, 2014 г. Радиолокационная станция со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM, ОАО «НЛП «КАНТ».
Поиск произведет по фондам ПТО библиотеки им М. Горького г. Тверь и сайту ФИПС.