МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ РАЗНОСТНО-ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ СПОСОБ СТАЦИОНАРНО-МОБИЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
MULTIPLICATIVE DIFFERENCE-RELATIVE METHOD FOR FIXED-MOBILE DETERMINATION OF COORDINATES OF POSITION OF RADIO-FREQUENCY SOURCE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения пространственного местоположения стационарных 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. Количество точек измерения уровней сигналов Ν≥4, что для получения одного отсчета координат местоположения является избыточным.
2. 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.
3. Прототип не позволяет определять координаты местоположения ИРИ в пространстве.
4. Не учитываются дифракционные потери на трассах распространения радиосигналов, что приводит к методическим ошибкам определения координат местоположения ИРИ
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, и отличающийся тем, что для измерения уровней сигналов ИРИ используют один стационарный пост радиоконтроля в качестве базового, а мобильный пост радиоконтроля соединяют с базовым линией связи и перемещают не менее чем по Μ≥2 точкам, по измеренным на мобильном и базовом радиоконтрольном посту уровням сигналов составляют на последнем  и  мультипликативных функций, представляющих сочетания, взятые по два и по три, из вычисленных  парных сочетаний (М+1) разностей отношений расстояний, рассчитанных от точек измерения до местоположения искомого ИРИ по заданным его координатам, и вычисленных  парных сочетаний (М+1) обратных отношений соответствующих измеренных величин уровней сигналов искомого ИРИ с учетом дифракционных потерь на рассчитанных по цифровым картам местности трассах распространения радиосигнала, 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 соответствующих точек измерения и соответствующих обратных отношений уровней сигналов, измеренных в этих точках. Координаты при этом могут вычисляться по методу дихотомии, например методу 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 определяемой величины (например, широты) при фиксированных, но лежащих в известных диапазонах значений долготы и высоты. Вычисляют расстояния от i-го местоположения ИРИ до каждой j-ой точки измерения ,  .
12i
1i
2i
23i
2i
3i
31i
3i
1i
Затем вычисляют парные отношения этих расстояний  n=R/R, n=R/R, n=R/R и т.д. Всего  сочетаний таких отношений. Эти отношения позволяют исключить зависимость вычисления координат местоположения от мощности ИРИ. Полученные отношения сравнивают путем вычитания с обратными отношениями уровней сигналов в точках приема: .
d21
d32
d13
d
В этих отношениях коэффициентами K, K, K учитывают дифракционные потери в точках приема сигналов на вычисленных по заданным координатам ИРИ расстояниях. Коэффициенты вычисляются по формулам:  При этом общие дифракционные потери в дБ к потерям в свободном пространстве L вычисляются с использованием цифровой карты местности (ЦКМ) в соответствии с Рекомендацией БР МСЭ [5, стр 25]. Всего  сочетаний отношений.
1l2
12i
21
Например, для точек измерения 1 и 2 эту разность определяют как F=(n-n).
123
23i
32
212.23
12i
21
23i
32
212.31
12i
21
13i
31
223.31
23i
32
13i
31
3123
12i
21
23i
32
31i
13
m
Для 2 и 3 - как F=(n-n) и.т.д. Если разность отношений меньше нуля, то к первоначальному значению широты добавляют 1/4 часть диапазона. В противном случае из первоначального значения 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 h=D/(2-1), где m - количество итераций. На рис. 1 показано изменение этих функций для 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. Минимум любой из разностей свидетельствует о нахождении местоположения ИРИ в точке с выбранными координатами. Но так как координаты ИРИ находятся на перпендикуляре к линии баз, то каждая из отдельных разностей будет иметь минимальное значение при нахождении ИРИ по обе стороны от баз. Устраняют ее путем нахождения экстремумов каждой из функций парных произведений разностей отношений (для каждой из двух пар точек измерений), например, 1,2 и 2,3: F=(n-n)(n-n) 1,2 и 3,1 - F=(n-n)(n-n), 2,3 и 3,1 - F=(n-n)(n-n) и т.д. Всего  таких мультипликативных функций. Устраняют неоднозначность также путем нахождения точки перегиба мультипликативной функции трех разностей отношений. Например, для точек измерения 1,2 и 3 эта функция имеет вид F=(n-n)(n-n)(n-n).
Всего  таких мультипликативных функций, для М+1 точек измерения.
На фиг. 1 показаны зависимости разностей отношений для трех пар точек измерения, на фиг. 2 - для трех парных произведений разностей отношений, фиг. 3 - мультипликативных функций для трех разностей отношений. Итак, алгоритмически способ предусматривает выполнение следующих операций:
1. Измеряют не менее чем в двух точках траектории движения мобильного поста радиоконтроля, не лежащих на одной прямой и находящихся в зоне электромагнитной доступности поста, уровни сигналов ИРИ, перестраивая на несущие частоты сканирующий приемник этого поста и сохраняя в базе данных результаты измерения и координаты точек измерения уровней.
2. Результаты измерений по линии связи передают на базовый пост, где:
1. Вычисляют отношения расстояний от (М+1) точек измерения до возможного местоположения ИРИ и обратные отношения соответствующих измеренных уровней сигналов ИРИ с учетом дифракционных потерь на рассчитанных расстояниях.
2. Составляют  парных мультипликативных функций разностей парных отношений расстояний от точек измерения уровней до возможного местоположения ИРИ и соответствующих обратных отношений измеренных уровней, а также  мультипликативных функций, взятых по три из всех парных сочетаний (М+1) точек измерения уровней.
3. Задают из заранее известного 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  парных мультипликативных функций с заданной погрешностью не достигнет экстремального значения а также пока каждая из  мультипликативных функций для каждой тройки сочетаний точек измерения уровней не достигнет точки перегиба.
4. Значения параметров, полученные в экстремальных точках и точках перегиба, усредняют и принимают за окончательные.
5. Процедуры по пп. 3 и 4 повторяют последовательно для получения долготы, а затем и высоты местоположения искомого ИРИ.
Способ позволяет существенно (на два порядка) увеличить статистику и тем самым повысить точность определения координат, а также сократить время на их определение. В подтверждение приведем сравнительную таблицу для прототипа и способа
Из таблицы видно, что предложенный способ дает увеличение статистики по сравнению с прототипом в 165 раз,
В предлагаемом способе устранены недостатки прототипа:
1. Исключены какие-либо сложные уравнения линий местоположения ИРИ со скрытыми в них ошибками сингулярности. В предлагаемом способе мультипликативные функции разности отношений конечных величин (расстояний и обратных уровней сигналов) являются гладкими и не создают сингулярных погрешностей.
2. Предложенный способ обеспечивает определение координат местоположения ИРИ не только на поверхности Земли, но и в пространстве.
3. Минимальное количество точек измерения мобильным постом сокращено с четырех до двух, что свидетельствует о повышении быстродействия способа по сравнению с прототипом.
4. Учтены дифракционные потери радиосигнала на трассах его распространения, что повышает точность определения координат местоположения ИРИ по сравнению с прототипом.
5. Способ позволяет при одном и том же количестве точек измерений увеличить по сравнению с прототипом более чем на два порядка статистику и, следовательно, повысить более чем на порядок точность определения координат.
Все это указывает на наличие новизны предложенного способа.
Следует отметить, что способ является наиболее универсальным, не требует сложных вычислений и легко реализуем.
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.
4. Е. Корн и Т. Корн. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. / Под ред. Арамановича И.Г. - М.: «Наука». 1968. - 720 с.
5. Рек. МСЭ-R, R.526-12.