Разностно-дальномерный способ определения местоположения объектов
DIFFERENCE-RANGE METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF OBJECTS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных радиотехнических системах для определения координат (ОК) заданных объектов, использующих источники радиоизлучения (ИРИ) с кодовым или временным разделением каналов.
i,n
i,n
Известен способ измерения взаимной задержки MSK сигналов пакетных радиосетей в разностно-дальномерной системе местоопределения (см. Пат. РФ №2623094, МПК G01S 5/06, опубл. 22.06.2017, бюл. №18). Способ предполагает прием периферийными пунктами приема (ППП) разностно-дальномерной системы местоопределения (РДСМО) сигналов пакетных радиосетей, измерение времени прихода сигналов относительно единой шкалы времени, передачу по линии связи измеренных значений на центральный пункт приема и обработки (ЦППО), где вычисляют взаимные задержки сигналов τ, причем модуль взаимно корреляционной функции (ВКФ) R(τ) вычисляют с помощью парциальных ВКФ, чем достигается повышение точности измерения τ.
Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Основным из них является недостаточная точность ОК ИРИ, обслуживающего заданный объект. Кроме того, ему присуща сложность при реализации ППП. Способ предусматривает использование на всех ППП системы единого времени при измерении задержки сигналов. Отсутствие привязки измеренных значений задержки сигнала на ППП к заданному источнику радиоизлучения при оценке их координат в условиях, когда работа нескольких ИРИ осуществляется на одной частоте (ИРИ с временным или кодовым разделением) приводит к ошибкам оценки координат ИРИ.
i
i
Известен способ определения местоположения источников радиоизлучений (см. Пат. РФ №2427000, МПК G01S 5/04 (2006/1), опубл. 20.08.2011, бюл. №23). Аналог предполагает установку на подготовительном этапе видеокамеры совместно с радиопеленгатором, их однонаправленную ориентацию в азимутальной и угломестной плоскостях, запоминают отличия в пространственной ориентации антенной системы радиопеленгатора и видеокамеры. В процессе работы измеряют угловые параметры сигнала ИРИ θ и β и перестраивают видеокамеру с учетом этих значений и найденных отличий.
Аналог обеспечивает повышение точности определения местоположения ИРИ за счет визуального уточнения его расположения.
Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Основным из них является низкая точность определения координат ИРИ (реализует угломерный измеритель на основе двухканального фазового интерферометра). Кроме того, совместное расположение видеокамеры и радиопеленгатора во многих случаях является неоптимальным.
i
n
Известны Пат. РФ №№2258242, 2309420, 2521084 и др., эффективность применения которых резко падает при оценке координат ИРИ с временным или кодовым разделением каналов. В зависимости от длительности оценки задержек сигналов τ, возникают ошибки ОК различной природы.
Известен разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения (см. Пат. №2539968, МПК G01S 3/46, опубл. 27.01.2015, бюл. №3).
i,n
i,n
Способ-аналог заключается в приеме сигналов ИРИ разнесенными в пространстве периферийными пунктами приема, связанными с ЦППО командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигналов, причем по командным линиям связи с ЦППО на ППП передают команды настройки на частоту сигнала ИРИ, а по линиям аналоговой ретрансляции принятые в ППП сигналы ИРИ передают на ЦППО, где измеряют разности времени приема сигналов в ППП и ЦППО τ, и n - номера ЦППО и ППП соответственно, при этом задержки τ определяют как аргумент максимизации модуля взаимнокорреляционной функции, а на их основе вычисление координат ИРИ.
Способ-аналог обеспечивает уменьшение количества вычислений при оценке временных задержек, принимаемых на ППП сигналов ИРИ в реализуемой ЦППО процедуре. Кроме того, выполнение ППП максимально упрощено, что способствует широкому применению способа-аналога в РДСМО. Каждый ППП представляет собой совокупность устройств, выделяющих радиосигналы ИРИ на фоне помех, а также устройств, организующих аналоговые линии ретрансляции.
Однако аналогу присущ недостаток, ограничивающий его применение: недостаточная точность определения координат ИРИ, обслуживающего заданный объект. Причиной ошибок ОК прежде всего является многолучевость распространения радиоволн. В результате последние приходят на измеритель с разных направлений и с разной задержкой. Ошибочное определение координат возникает и в тех случаях, когда на частоте искомого ИРИ работают несколько корреспондентов (ИРИ) с временным или кодовым разделением каналов, например, сети Wi-Fi, GSM 2G, UMTS и др.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому технического решению является разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения (см. Пат. РФ №2717231, МПК G01S 3/46, опубл. 19.03.2020, бюл. №2)
n
n
i
j
k
i
j
k
i
j
k
n
i,j,k,n
n
i
j
k
i,j,k,n
n
n
n
n
n
i,j,k,n
n
i,j,k
n
i
j
k
Способ-прототип заключается в приеме сигналов пространственно разнесенными периферийными пунктами приема, связанных с центральным пунктом приема и обработки командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигнала, причем командными линиями связи с ЦППО на ППП передают команды настройки на частоту сигнала ИРИ, а по линиям аналоговой ретрансляции принятые в ППП сигналы ИРИ передают на ЦППО, где измеряют разность времени приема этих сигналов в ППП и ЦППО τ, где n∈ 1, 2, …, N - номера ППП и измерительных баз ЦППО - ППП, на основе которых определяют координаты ИРИ, на ЦППО на подготовительном этапе в виде прямоугольного параллелепипеда задают контролируемый район (КР) и вводят систему координат с началом в одной из его вершин, с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней, примыкающих к выбранной вершине, которые обозначают через А, В и С соответственно, КР делят на элементарные объемы со сторонами а, b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно, объем которых выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ, определяют координаты центров элементарных объемов (x,y,z) на основе которых формируют объемную матрицу координат Р размерности А' × В' × С', где x=ai, i=1, 2, …, А/а=А', y=bj, j=1, 2, …, B/b=В', z=ck, k=1, 2, …, С/с=С', для каждого элемента (x,y,z) матрицы координат Р всех измерительных баз определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП τ, формируют N эталонных матриц M, n=1, 2, …, N, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (x, y, z) эталонное значение разности задержки прихода сигналов τ для n-й измерительной базы ЦППО - ППП, а в процессе работы для учета разности времени приема сигнала вычисляют взаимнокорреляционную функцию (ВКФ) сигналов R[τ], принятых на n-м ППП, n=1, 2, … N, и на ЦППО, для значений временного сдвига в интервале  где с* - скорость света, d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ, соответствующим частоте дискретизации сигнала, на основе N эталонных матриц M формируют корреляционные матрицы Ф путем замены элементов задержки τ на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ], значения матриц Ф, n=1, 2, …, N, суммируют по всем N измерительным базам  а за наиболее вероятное расположение ИРИ принимают координаты точки (x, y, z), соответствующей максимальному значению элемента матрицы .
При этом измерение разности времени приема сигналов заданного ИРИ на ЦППО и ППП осуществляют в интервал времени от начала преамбулы до завершения данных (МАС-фрейма), полученных на основе анализа преамбулы и заголовка текущего фрейма.
Кроме того, используют три периферийных пункта приема, размещаемых вблизи границ контролируемого района в форме равностороннего треугольника, в центре которого располагают центральный пункт приема и обработки.
В результате в прототипе за счет более полного учета полученной статистики результатов пространственных измерений обеспечивается повышение точности определения координат заданного ИРИ разностно-дальномерным способом в условиях работы нескольких ИРИ на одной частоте с временным или кодовым разделением каналов.
Однако способу-прототипу присущ недостаток, ограничивающий его применение. Определение координат ИРИ, как правило, не является целью функционирования системы. Наибольший интерес представляет объект (для рассматриваемых условий абонент, человек), в интересах которого ИРИ функционирует. Определение координат излучателя в спортивно-концертном зале позволяет получить «пятно засветки» в несколько квадратных метров, на котором одновременно могут находится 5-10 человек. Дистанционное выявление объекта, осуществляющего радиообмен на основе способа-прототипа не представляется возможным. Дальнейшее совершенствование РДСМО с целью повышения его точностных характеристик не даст положительный результат в условиях, когда контролируемый объект движется.
Целью заявляемого технического решения является разработка разностно-дальномерного способа определения местоположения объекта на ограниченных площадях, обеспечивающего повышение точности определения местоположения заданного объекта за счет его визуального выделения и распознавания из совокупности объектов с привязкой к фрагменту контролируемого района.
i
j
k
j
j,j
k
k,k
i
j
k
n
i,j,k,n
n
i
j
k
i,j,k,n
n
n
n
n
n
i,j,k,n
n
i,j,k
n
i
j
k
вк
кд
сен
об
вк
вк
вк
j
k
op
h
θ
θ
h
θ
θ
h
h
ири
ири
θ
θ
h
h
пр
пр
пр
кд
o6
сен
пр
кд
об
сен
пр
кд
θ
пр
кд
h
пр
пр
пр
кд
пр
пр
пр
кд
пр
пр
op
пр,
пр
пр
пр
Поставленная цель достигается тем, что в известном разностно-дальномерным способе определения координат ИРИ, основанном на приеме сигналов N пространственно-разнесенными периферийными пунктами приема с известными координатами, связанными с центральным пунктом приема и обработки командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигнала, причем командными линиями связи с ЦППО на ППП передают команды настройки на частоту сигнала ИРИ, а по линиям аналоговой ретрансляции принятые в ППП сигналы ИРИ передают на ЦППО, на подготовительном этапе в виде прямоугольного параллелепипеда задают контролируемый район и вводят систему координат с началом в одной из его вершин, с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней, примыкающих к выбранной вершине, которые обозначают через А, В и С соответственно, КР делят на элементарные объемы со сторонами а, b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно, объем которых выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ, определяют координаты центров элементарных объемов (x,y,z), на основе которых формируют объемную матрицу координат Р размерности А' × В' × С', где , y=b=1, 2, …, В/b=В', z=c=1, 2, …, С/с=С', для каждого элемента (x, y, z) матрицы координат Р всех N измерительных баз определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП, τ, формируют N эталонных матриц M, n=1, 2, …, N, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (x,y,z) эталонное значение разности задержки прихода сигналов τ для n-й измерительной базы ЦППО-ППП, а в процессе работы для учета разности времени приема сигнала вычисляют взаимнокорреляционную функцию сигналов R[τ], принятых на n-м ППП, n=1, 2, …, N, и на ЦППО, для значений временного сдвига в интервале  где с* - скорость света, d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ, соответствующим частоте дискретизации сигнала, на основе N эталонных матриц M формируют корреляционные матрицы Ф путем замены элементов задержки τ на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ], значения матриц Ф, n=1, 2, …, N, суммируют по всем N измерительным базам  а за наиболее вероятное расположение ИРИ принимают координаты точки (x,y,z), соответствующей максимальному значению элемента матрицы  на подготовительном этапе устанавливают управляемую видеокамеру (ВК), местоположение которой обеспечивает получение видеоинформации со всех элементарных объемов КР, определяют координаты видеокамеры (x,y,z), задают максимальные углы обзора ВК по вертикали  и по горизонтали  а при наличии в ВК регулируемого фокусного расстояния ƒ ВК задают коэффициент усиления z и разрешение кадра видеопотока (W,H), размеры сенсора ВК (W,H) и контролируемого объекта (W,H), в интересах которого работает ИРИ, выполняют калибровку и определение исходной ориентации ВК: азимута А и угла места Е, как остаток от деления значения ее пространственной ориентации на 360 и 180 градусов соответственно, а в процессе работы рассчитывают расстояние  от позиции ВК (x,y,z) до координат обнаруженного ИРИ (x,y,z), для ВК с регулируемым фокусным расстоянием определяют углы обзора в пределах ее возможностей в горизонтальной  вертикальной  плоскостях с учетом коэффициента увеличения z, где  - максимальные углы обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно, определяют оптимальный уровень увеличения, необходимый для попадания объекта с ИРИ в кадр:  z=min(z,z), определяют ширину FOV и высоту FOV области пространства, попадающего в кадр при полученных углах обзора и найденном удалении ИРИ : FOV=2⋅⋅tg(α/2), FOV=2⋅⋅tg(α/2), определяют азимут А и угол места Е ИРИ относительно позиции ВК, вычисляют разницу по азимуту ΔА и углу места ΔЕ между точкой наведения ВК и позицией ИРИ, определяют расстояние по горизонтали ΔW и вертикали ΔН между местоположением ИРИ и точкой наведения ВК ΔW=FOV⋅ΔА/α, ΔH=FOV⋅ΔE/α, определяют ширину W и высоту Н проекции объекта с ИРИ на видеокадре W=W⋅W/(ƒ⋅⋅W), Н=Н⋅Н/(ƒ⋅⋅Н) рассчитывают смещение проекции объекта с ИРИ ΔW=W⋅ΔW/FOV, ΔН=Н⋅ΔH/FOV, определяют позицию объекта с ИРИ (х,у) на видеокадре х=W/2-ΔW-W/2, у=Н/2-ΔН-Н/2, на основе рассчитанных параметров ΔA, ΔE и z ориентируют ВК, а используя видеоизображение объекта с ИРИ на основе (WН) и (х,у) осуществляют идентификацию и уточнение его местоположения с привязкой к фрагменту КР.
m
m
об
При этом при невозможности визуального охвата одной ВК всей территории КР используют М, m=2, 3, …, М, видеокамер, необходимую информацию о которых:  ƒ, z,  (W,H) запоминают на подготовительном этапе.
Так же КР делят на М зон контроля (ЗК), за каждой из которых закрепляют соответствующую m-ю ВК.
Кроме того, при обнаружении сигналов ИРИ в m-й ЗК для получения видеоинформации об объекте с ИРИ подключают m-ю ВК.
Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 показан обобщенный алгоритм работы разностно-дальномерного способа определения местоположения объекта в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг. 2 приведена обобщенная структурная схема устройства, реализующего данный способ;
на фиг. 3 - порядок задания контролируемого района:
а) задание границ контролируемого района;
б) формирование элементарных объемов;
в) определение координат центров элементарных объемов;
на фиг. 4 - порядок формирования матрицы координат Р;
на фиг. 5 - порядок формирования одной из N:
n
а) эталонной матрицы M;
n
б) корреляционной матрицы Ф;
на фиг. 6 - пример визуализации значений задержки сигнала для ЦППО и ППП, где белым цветом показана максимальная задержка, а черным - минимальная;
на фиг. 7 приведено измеренное значение ВКФ для одной измерительной базы;
n
на фиг. 8 показан результат визуализации значений R[τ] на контролируемый район для одной измерительной базы;
на фиг. 9 приведены значения ВКФ для трех измерительных баз;
на фиг. 10 представлена визуализация суммы проекций ВКФ трех измерительных баз;
на фиг. 11 показан обобщенный алгоритм настройки видеокамеры и определения проекции объекта на кадре;
на фиг. 12 приведено поле зрения объектива видеокамеры;
на фиг. 13 иллюстрируются результаты настройки видеокамеры.
i
i
i
i
j
k
Реализация заявляемого способа рассмотрена на примере широко используемых сетей Wi-Fi и поясняется следующим образом (см. фиг. 1-5). На подготовительном этапе на ЦППО задают контролируемый район в виде прямоугольного параллелепипеда (см. фиг. 3). Вводят систему координат с началом в одной из вершин, с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней параллелепипеда, примыкающих к выбранной вершине. Последние обозначают через А, В и С соответственно. Контролируемый район делят на элементарные объемы (см. фиг. 3, 4) со сторонами а, b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно. Размеры элементарных объемов выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ. Далее определяют координаты центров элементарных объемов (x,y,z) (см. фиг. 3в), на основе которых формируют объемную матрицу координат Р размерности А' × В' × С (см. фиг. 4), x=ai, i=1, 2, …, А/а=А', y=bj,  z=ck, k=1, 2, …, С/с=С'.
i,j,k,n
Для каждого элемента матрицы координат Р всех N измерительных баз определяют эталонные значения времени прихода сигнала на ЦППО и n-й, n=1, 2, …, N, ППП τ.
0
0
0
n
n
n
где с* - скорость света, (х,y,z) - координаты ЦППО, (x,y,z) - координаты n-го ППП, n=1, 2, …, N - номера ППП. С этой целью на подготовительном этапе задают координаты ЦППО и ППП.
n
i
i
i
i,j,k,n
n
На следующем этапе формируют N трехразмерных эталонных матриц M, n=1, 2, …, N, элементами каждой из которых являются соответствующие координатам (x,y,z) эталонные значения разности задержки прихода сигнала τ для n-й измерительной базы ЦППО-ППП (см. фиг. 5).
н
Пример визуализации значений задержки для ЦППО и одного ППП показан на фиг. 6. При этом белым цветом показана максимальная задержка, а черным - минимальная. Далее задают МАС-адрес пользователя , длительность интервала анализа Δt и его начало t', частоту сигнала ƒ.
ВК
h
θ
кд
сен
об
ВК
ВК
Устанавливают управляемую (PTZ) видеокамеру, местоположение которой обеспечивает получение видеоинформации со всех элементарных объемов КР. Определяют координаты видеокамеры (x,y,z). Задают углы обзора ВК по вертикали α и горизонтали α, а при наличии PTZ-видеокамеры - фокусное расстояние ƒ и коэффициент увеличения z. Кроме того, задают разрешение кадра видеопотока (H,W) и размеры сенсора (H,W). Определяют ожидаемые размеры контролируемого объекта (H,W), использующего ИРИ. Выполняют калибровку ВК с использованием местных предметов, находящихся в КР, координаты которых априорно известны из технической документации на охраняемый объект. Определяют исходную ориентацию ВК: азимут А и угол места Е.
n
n
Обобщенная структурная схема устройства, реализующего данный способ (см. фиг. 2), содержит три ППП (n ∈ 1, 2 и 3) и один ЦППО (n ∈ 4). Каждый ППП сигналов ИРИ с временным или кодовым разделением в общем виде представляет совокупность последовательно соединенных трактов приема сигналов ИРИ названных классов и трактов, реализующих аналоговую ретрансляцию излучений. ЦППО содержит радиопередатчик, предназначенный для реализации командной линии связи, совокупность из N+1 трактов приема радиосигналов (из них N трактов, предназначенных для приема ретранслированных ППП сигналов) и центральный пункт обработки в составе: блок управления, тракт анализа, N+1 аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), N+1 блоков памяти, вычислитель, блок формирования матриц эталонных значений M, блок формирования матрицы координат Р, блок формирования корреляционных матриц Ф, сумматор и блок принятия решения. При этом все ППП настраиваются на заданную частоту сигнала, значение которой поступает по командным каналам связи от ЦППО.
Сигналы ИРИ, принятые на ЦППО и ППП имеют вид
соответственно.
Последние с выходов приемных трактов ППП поступают на входы соответствующих трактов аналоговой ретрансляции и далее излучают в эфир.
На ЦППО эти излучения принимают с помощью соответствующих N приемных трактов и запоминаются на заданное время Δt. Одновременно с ними осуществляют прием сигналов этого ИРИ и на собственный N+1-вый приемный тракт в течение того же интервала времени Δt, в течение которого осуществляют их анализ.
4
4
Для этого принятые в N+1-м приемном тракте ЦППО сигналы с помощью АЦП и демодулятора (снимают DBPSK модуляцию), превращают аналоговый сигнал x(t) в битовую последовательность a(t). На его основе осуществляют поиск преамбулы и заголовка PLCP. В преамбуле в поле SFD содержится значение 0xF3A0, которое служит индикатором начала фрейма. В заголовке PLCP в поле Signal содержится информация о способе цифровой модуляции самих данных (МАС-фрейма). Значение 0х0А соответствует DBPSK модуляции, a 0x14-DQPSK модуляции. Кроме того, в заголовке PLCP содержится информация о длине данных в МАС-фрейме.
Известны МАС-фреймы различных типов (см. Пат. РФ №2717231, 2719770): CTS, PS-Poll, CF-End, CF-End+CF-Ack, Block Ack Req. Помимо перечисленных, существуют и другие типы МАС-фреймов, однако в них отсутствует информация о МАС-адресах передающего устройства. Поэтому их использование затруднено для местоопределения ИРИ.
У всех фреймов в их начале есть поле Frame Control, где содержится информация о типе данного фрейма - это поля Туре и Subtype. В поле ТА у фреймов содержится МАС-адрес передающего устройства. Для получения названных данных необходимо предварительно выполнить цифровую демодуляцию МАС-фрейма в соответствии с содержимом поля Signal заголовке PLCP.
1
n
n
В случае совпадения МАС-адреса Г обнаруженного фрейма с заданным адресом  устройства, участок сигнала с границами от начала преамбулы PLCP t* до конца МАС-фрейма t используют для нахождения взаимнокорреляционной функции Ф принятого сигнала R[τ]. При этом свертка принятых ЦППО и ППП сигналов R может осуществляться как в аналоговом, так и в дискретном виде. В случае использования дискретных сверток (предлагаемый вариант устройства) запомненные сигналы от ППП дополнительно оцифровывают.
n
n
Дополнительная синхронизация при измерении τ не требуется в связи с тем, что обработку всех N+1 сигналов осуществляют в одном месте. Нахождение задержек τ с последующим определением координаты ИРИ выполняют в соответствии со способом-прототипом.
n
0
Вычисление ВКФ сигналов R[τ], принятой n-й измерительной базой, n=1, 2, …, N, осуществляют для значений временного сдвига  где с* - скорость света,  - расстояние между ЦППО и n-м ППП с заданным шагом τ по формуле:
где τ - временной сдвиг между сигналами (задержка),  - сигнал, принятый на ЦППО и сопряженный с ним сигнал,  - сигнал, принятый на n-м ППП и сопряженный с ним сигнал. На фиг. 5б приведено значение ВКФ для одной измерительной базы.
n
n
n
i,j,k,n
i
j
k
i,j,k,n
i
j
k
n
i,j,k
n
После этого полученные значения каждой рассчитанной ВКФ R[τ] проецируют на элементы соответствующей n-й эталонной матрицы M (элементарные объемы зоны поиска). В матрице M каждый элемент τ соответствует определенным координатам точке (x,y,z). По ранее полученным значениям τ для каждой точки (x,y,z) контролируемого района рассчитывают значения R[τ] в соответствии с (3) и, следовательно, соответствующие этой точке. Названная операция соответствует формированию соответствующей (из набора в N) корреляционной матрицы Ф.
n
n
i,j,k
n
i
j
k
Формирование N корреляционных матриц Ф осуществляют путем проецирования полученных значений ВКФ R[τ] в соответствующих местах эталонной матрицы M, а следовательно, в соответствующих точках (x,y,z).
n
i
j
k
На следующем этапе значения R[τ] суммируют по всем N измерительным базам: . За наиболее вероятное местоположение заданного ИРИ принимают координаты точки (x,y,z), соответствующее максимальному значению элемента матрицы
i,j,k
i
j
k
n
Такой подход к ОК заданного ИРИ обеспечивает повышение точности выполняемых в пространстве измерений. Известно, что во взаимнокорреляционных функциях R[τ] присутствуют побочные максимумы от отраженных сигналов, иногда с максимальным значением (см. фиг. 7, 9). Последние имеют местоположение на временной оси не соответствующее положению ИРИ. В известных способах и устройствах это приводит к ошибкам измерений координат. В предложенном способе значение ВКФ R[τ] принимает максимальное значение (глобальный максимум) благодаря тому, что в точке (x,y,z) оно равно сумме величин корреляций, соответствующих местоположению истинным локальным максимумам R[τ] всех трех измерительных баз. В свою очередь локальные максимумы, полученные от переотраженных сигналов всех трех измерительных баз, будут распределены случайным образом. Их суммирование не дает глобального максимума ВКФ (см. фиг. 10). На фиг. 9 показаны ВКФ для трех измерительных баз, работающих по сигналам Wi-Fi. На первом и третьем графике ВКФ четко видны побочные пики от отраженных сигналов, причем на третьем графике побочный пик выше, чем истинный, соответствующий истинному положению ИРИ. На фиг. 10 представлена визуализация суммы проекций ВКФ на контролируемый район. Наблюдается пересечение трех линий, образованных истинными пиками ВКФ. Побочные пики не внесли ошибки при определении местоположения ИРИ.
ВК
i
j
k
На следующем этапе определяют расстояние  от позиции ВК (x,y,z) до обнаруженного ИРИ (x,y,z) (см. фиг. 11-13)
θ
h
Если видеокамера обладает измененным фокусным расстоянием ƒ необходимо рассчитать ее углы обзора в горизонтальной α и вертикальной α плоскости с учетом коэффициента увеличения z
где  - максимальные углы обзора по горизонтали и вертикали соответственно.
op
h
θ
Далее определяют оптимальный уровень увеличения z, необходимый для попадания объекта с ИРИ в кадр. Уровень увеличения по вертикали z и горизонтали z рассчитывают отдельно. После этого из них выбирают минимальное значение в пределах возможностей ВК
θ
h
θ
h
После этого находят ширину FOV и высоту FOV области пространства, попадающего в кадр при найденных углах обзора α, α и удаления ИРИ  (см. фиг. 12)
ИРИ
ИРИ
На следующем этапе определяют азимут А и угол места Е местоположения ИРИ относительно координат ВК
ИРИ
ВК
ИРИ
где y=у-у, х=х-х,
ИРИ
ВК
где z=z-z,
Далее находят отличие в ориентации ВК и позицией ИРИ в азимутальной ΔА и угломестной плоскостях
ИРИ
ВК
где Δα=А-А, -360<Δα<360,
После этого определяют расстояние по горизонтали ΔW и вертикали ΔН между местоположением ИРИ и точкой наведения ВК
пр
пр
Размер области пространства, попадающего в кадр соответствует разрешению кадра видеопотока. Исходя из этого можно определить размер проекции в пространстве видеокадра, соответствующий размеру контролируемого объекта. Для этого определяют ширину W и высоту Н проекции объекта с работающим ИРИ на видеокадре
На основе полученных в (7), (12) и (13) значений становится возможным определение смещения проекции объекта с ИРИ на кадре
пр
пр
На завершающем этапе определяют координаты контролируемого объекта с ИРИ (х,у) на видеокадре
Полученные в (6) значения позволяют уточнить настройку видеокамеры, а полученное видеоизображение контролируемого объекта о ИРИ обеспечивает выполнение его идентификации с уточнением его местоположения (выражение 15) с привязкой к фрагменту КР.
Таким образом, в предлагаемом способе имеет место следующая последовательность операций.
На подготовительном этапе:
1. Задание на ЦППО контролируемого района в виде прямоугольного параллелепипеда и введение системы координат с началом в одной из его вершин с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней, примыкающих к выбранной вершине, которые обозначают через А, В и С соответственно (см. фиг. 3а).
2. Размещение трех периферийных пунктов приема вблизи границ КР в форме равностороннего треугольника, в центре которого располагают ЦППО.
3. КР делят на элементарные объемы со сторонами а, b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно, объем которых выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ (см. фиг. 36).
i
j
k
4. Определяют координаты центров элементарных объемов (x,y,z) (см. фиг. 3в).
i
j
k
i
i
k
5. На основе координат (x,y,z) формируют матрицу координат Р размерности А' × В' × С, где x=ai, i=1, 2, …, А/а=A', y=bj, j=1, 2, …, B/b=В', z=ck, k=1, 2, …, С/с=С' (см. фиг. 8).
i
j
k
k
i,j,k,n
6. Для каждого элемента (x,y,z) матрицы Р и всех N измерительных баз определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП τ.
n
i
j
k
i,j,k,n
n
7. Формируют N эталонных матриц M, n=1, 2, …, N, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (x,y,z) эталонное значение разности задержки прихода сигнала τ для n-й измерительной базы ЦППО-ППП (см. фиг. 5).
8. Устанавливают управляемую PTZ-видеокамеру, местоположение которой обеспечивает получение видеоинформации со всех элементарных объемов КР.
ВК
9. Определяют координаты видеокамеры (x,y,z).
10. Задают максимальные углы обзора ВК по вертикали  и горизонтали  а при наличии PTZ-видеокамеры фокусное расстояние ƒ и коэффициент увеличения z.
кд
сен
11. Задают разрешение кадра видеопотока (W,H) и размеры сенсора ВК (W,H).
об
12. Задают ожидаемые размеры контролируемого объекта (W,H).
ВК
ВК
13. Выполняют калибровку и определение исходного положения ВК: азимута А и угла места Е.
m,
m
m
ВК
m
m
кд
об
В случае невозможности визуального охвата одной из ВК всей территории (объема) КР используют М, m=2, 3, …, М, видеокамер. При этом всю необходимую информацию о каждой из них: (xy,z),  ƒ, z, (W,H),  (W,H),  задают на подготовительном этапе. Контролируемый район делят на М зон контроля, за каждой из которых закрепляют соответствующую m-ю ВК. В результате каждая m-я ВК должна обеспечивать визуальный охват всех элементарных объемов, входящих в m-ю зону контроля. При обнаружении сигналов ИРИ в m-й зоне контроля для получения видеоинформации об объекте подключают m-ю ВК.
В процессе работы:
1. Накопление в ЦППО сигналов за некоторый промежуток времени Δt от всех ППП и ЦППО.
2. Демодуляция накопленного сигнала, принятого собственно ЦППО и модулированного посредством DBPSK модуляции. В результате получают массив битов.
2
3. Поиск в массиве битов SFD кода - значения 0xF3A0 (1111001110100000).
4. Чтение заголовка PLCP - следующие 48 бит после SFD кода.
2
2
5. Определение способа модуляции МАС-фрейма: в поле Signal заголовка PLCP: значение 0х0А (00001010) соответствуют DBPSK модуляции, 0x14 (00010100) - DQPSK - модуляции.
6. Определение длины МАС-фрейма - поле Length заголовка PLCP.
7. Демодуляция МАС-фрейма.
8. Определение МАС-адреса устройства.
9. Если МАС-адрес устройства соответствует МАС-адресу искомого устройства, то выделяют часть сигнала, соответствующего началу преамбулы PLCP и окончанию МАС-фрейма, в противном случае начиная с конца текущего фрейма, осуществляется поиск следующего фрейма (пункт 3).
n
n
10. Вычисление взаимнокорреляционной функции сигналов R[τ], принятых на n-м ППП, n=1, 2, …, N, и на ЦППО для значений временного сдвига в интервале  где d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ (см. фиг. 6).
n
i,j,k,n
n
n
i,j,k
11. Формирование N корреляционных матриц Ф путем замены элементов задержки τ матриц M на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ].
n
12. Суммирование матриц Ф по всем N измерительным базам (см. фиг. 10)
i
j
k
13. Принятие за наиболее вероятное местоположение заданного ИРИ точки с координатами (x,y,z), соответствующей максимальному значению элемента  матрицы .
ВК
i
j
k
14. Рассчитывают расстояние  от позиции ВК (х,у,z) до координат обнаруженного ИРИ (x,y,z).
θ
h
15. Для PTZ-видеокамер определяют углы обзора в пределах ее возможностей в горизонтальной α и вертикальной α плоскостях с учетом коэффициента увеличения z.
op
16. Определяют оптимальный уровень увеличения z, необходимый для попадания объекта с ИРИ в кадр.
θ
h
17. Находят ширину FOV и высоту FOV области пространства, попадающего в кадр при полученных углах обзора и найденном удалении  ИРИ (фиг. 12).
ИРИ
ИРИ
18. Определяют азимут А и угол места Е ИРИ относительно позиции ВК.
19. Находят разницу по азимуту ΔА и углу места ΔЕ между точкой наведения ВК и позицией ИРИ.
20. Определяют расстояние по горизонтали ΔW и вертикали ΔН между местоположением ИРИ и точкой наведения ВК.
пр
пр
21. Определяют ширину W и высоту Н проекции объекта с ИРИ на видеокадре (см. фиг. 13).
пр
пр
22. Рассчитывают смещение проекции объекта с ИРИ ΔW и ΔН на видеокадре.
пр
пр
23. Определяют позицию объекта с ИРИ на видеокадре (х,у).
op
24. Ориентируют ВК на основе полученных значений ΔА, ΔЕ и z.
пр
пр
пр
пр
25. Осуществляют идентификацию обнаруженного объекта и уточнение его местоположения на основе (W,Н), (х,у) с привязкой к фрагменту КР.
Положительный эффект в повышении точности определения координат заданного объекта во всем объеме КР достигается благодаря его визуальному выделению и распознаванию из совокупности объектов с привязкой к фрагменту контролируемого района (см. фиг. 13). Местоположение объекта далее может контролироваться и при отсутствии работы его ИРИ.
н
n
n
N+1
i
j
k
n
n
i
j
k
n
n
n
n
i,j,k
n
i
j
k
A
B
C
D
n
n
n
ВК
кд
сен
об
op
пр
пр
пр
пр
Устройство определения местоопределения объектов на основе разностно-дальномерного способа (см. фиг. 2) содержит N периферийных пунктов приема 1.1-1.N и центральный пункт приема и обработки 2, причем каждый ППП 1.1-1.N состоит из последовательно соединенных тракта приема радиосигналов 4 и тракта ретрансляции радиосигналов 5, а ЦППО 2 содержит радиопередатчик 7, предназначенный для реализации командной линии связи, N+1 трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1 и центральный пост обработки 3, N+1 входов которого соединены с выходами соответствующих трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, а выход является выходной шиной 24 ЦППО 2, первая входная шина 6 которого является входом управления радиопередатчика 7 и соединена со входами управления трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, предназначена для задания частоты настройки ƒ трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1 ЦППО и опосредованно через радиостанцию 7 трактов приема радиосигналов 4.1-4.N ППП. ЦППО выполнен содержащим N+1 аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, входы которых соединены с выходами соответствующих трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1, информационные входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, первый вычислитель 15, предназначенный для нахождения взаимнокорреляционной функции сигналов R[τ], принятых на n-м ППП 1.n, n=1, 2, …, N, и на ЦППО 2, для значений временного сдвига в интервале τ ∈  где d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ, группа из N+1 входов вычислителя 15 соединена с информационными выходами соответствующих N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1, блок управления 11, предназначенный для задания длительности интервала анализа Δt и его начала t', тракт анализа 12, предназначенный для определения начала очередного фрейма t*, его длительности  вида модуляции МАС-фрейма и его демодуляции, определения адреса текущего пользователя Г, второй вход которого является вторым установочным входом ЦПО 3 и третьей входной шиной 21 ЦППО 2, предназначенной для задания адреса пользователя , первый информационный вход тракта анализа 12 соединен с выходом N+1-го аналого-цифрового преобразователя 9.N+1, а выход объединен с первыми входами управления N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1 и вторым входом блока управления 11, первый вход которого является первым установочным входом ЦПО 3 и второй входной шиной 10 ЦППО 2, предназначенной для задания интервала анализа Δt и его начала t', а выход соединен со вторыми входами управления блоков памяти 13.1-13.N+1 и третьим входом тракта анализа 12, четвертая входная шина 22 ЦППО 2, предназначена для задания координат ППП 1.1-1.N и ЦППО 2 {х,у,z}, соединена с N+2 входом вычислителя 15 и является третьим установочным входом ЦПО 3, последовательно соединенные блок формирования матрицы координат Р 18, предназначенный для определения координат центров элементарных участков (x,y,z) контролируемого района и формирования на их основе матрицы координат Р, блок формирования матриц эталонных значений M17, предназначенный для вычислений задержек прихода сигнала  для n-й измерительной базы ЦППО 2 - ППП 1.n, n=1, 2, …, N, соответствующей каждой координате (x,y,z), и формирования на их основе N эталонных матриц M, блок формирования корреляционных матриц Ф 16, предназначенный для формирования N корреляционных матриц Ф, элементами которых являются значения ВКФ R[τ], соответствующие задержкам  сигнала в элементах матриц эталонных значений M, сумматор 19 и блок принятия решения 20, предназначенный для определения элемента матрицы  с максимальным значением функции корреляции  величина которой соответствует наиболее вероятному местоположению ИРИ с координатами (x,y,z), выход которого является выходом ЦПО 3 и выходной шиной ЦППО 2, пятая входная шина 23 которого предназначена для задания границ контролируемого района с помощью координат точек (х,у,z), (x,y,z), (x,y,z), (x,y,z) и размеров элементарных объемов а, b и с соединена с информационным входом блока формирования матрицы координат Р 18 и является четвертым входом ЦПО 3, генератор тактовых импульсов 14, выход которого соединен с входами синхронизации N+1 аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, блока управления 11, тракта анализа 12, блока формирования матриц эталонных значений M 17, блока формирования матрицы координат Р 18, блока формирования корреляционных матриц Ф 16, сумматора 19, блока принятия решения 20 и вычислителя 15, информационный выход которого соединен со вторым информационным входом блока формирования корреляционной матрицы Ф 16, последовательно соединенные второй вычислитель 24, видеокамера 25 и блок управления и индикации 26, предназначенный для задания блоку 24 характеристик видеокамеры 25 и контролируемого объекта: (х,у,z),  ƒ, z, (W,H), (W,H), (W,H), и получения видеоизображения обнаруженного объекта, группа информационных выходов блока 26 соединена со второй группой входов второго вычислителя 24, предназначенного для формирования команды управления настройкой блока 25: ΔА, ΔЕ, z, расчета величин (W,Н) и (х,у), значения которых со второй группы информационных выходов поступают на вторую группу информационных входов блока 26.
N
N+1
н
н
Работа устройства (см. фиг. 2), реализующего предлагаемый способ, осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе задают структуру измерителя: количество ППП 1 N, N=3, определяют их взаимное расположение и координаты (х,у,z). Определяют координаты ЦППО (х,у,z). По шине 22 полученные данные заносят в вычислитель 15 ЦПО 3. По второй входной шине ЦППО 10 задают интервал анализа Δt (временной интервал, на который одновременно запоминают в блоках 13.1-13.4 сигналы ИРИ) и его начало t'. По первой входной шине ЦППО 6 поступает значение частоты ƒ для настройки на нее приемных трактов 8.1-8.4 ЦППО 2. Опосредованно через радиостанцию 7 с помощью кода частоты N(ƒ) осуществляют настройку приемных трактов 4.1-4.3 ППП 1. Третья входная шина 21 ЦППО 2 используется для задания МАС-адреса пользователя , координаты которого необходимо определить.
A
B
C
D
i
j
k
i
j
k
В виде прямоугольного параллелепипеда задают контролируемый район, в котором будет осуществляться поиск и местоопределение заданного ИРИ. Эта операция осуществляется по команде, поступающей на пятую входную шину 23 ЦППО 2. Границы района задают координатами четырех точек (х,у,z), (x,y,z), (х,y,z) и (х,y,z). Границы по оси 0х, 0у и 0z обозначают через А, В и С соответственно (см. фиг. 7а). КР делят на элементарные объемы со сторонами a, b и с, значения которых также задают по шине 23. Эту операцию выполняет блок 18. Далее с помощью блока 18 определяют центры элементарных объемов (см. фиг. 76, в). На основе полученных координат (x,y,z) с помощью блока 18 формируют матрицу координат размерности А' × В' × С', где x=ai,  y=bj, j=1, 2, …, B/b=В' z=ck, k=1, 2, …, С/с=С' (см. фиг. 8).
op
пр
пр
пр
пр
Блок 24 предназначен для формирования сигналов управления видеокамерой 25: ΔА, ΔЕ и z. Кроме того, с его помощью рассчитывают уточненные координаты местоположения заданного ИРИ (объекта) (х,у) и проекцию объекта (W,Н). С помощью блока 26 выполняют ввод исходных данных для второго вычислителя 24 и визуальное отображение обнаруженного объекта.