Способ определения координат неизвестного источника сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи
METHOD OF DETERMINATION COORDINATES OF UNKNOWN SOURCE OF SIGNALS ON EARTH SURFACE IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM

Известен способ определения координат неизвестного источника (НИ) сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи [1 - US Patent No. 6018312, Haworth D.P., Locating the source of an unknown signal, МПК: H04B 7/185; G01S 5/04, January 25, 2000], заключающийся в определении разностей времени прихода и доплеровских сдвигов частот при прохождении сигналов через основной и зеркальный спутники с использованием разнесенных приемных антенных систем (АС). Устранение неопределенности измерения разности доплеровских сдвигов частот сигнала НИ происходит с использованием данных о сдвиге частоты сигнала опорной станции (ОС), получаемом одновременно с соответствующим значением для сигнала НИ. Недостатком этого способа является определение разности частот гетеродинов спутников и частотного рассогласования измерительной станции (ИС) как единой величины, что не позволяет проводить дополнительные калибровочные измерения без сигнала ОС.
Известен способ определения координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи с использованием опорного генератора [2 - US Patent No. 5594452, Webber J.C, Knight C.A., Method and system for locating an unknown transmitter using calibrated oscillator phases, МПК: H04B 7/185, January 14, 1997], взятый за прототип. Его недостатками являются сложность в эксплуатации, так как для его реализации требуется сопряжение гетеродинов приемных АС и гетеродинов приемных устройств с опорным генератором для устранения частотного рассогласования аппаратуры ИС.
В отличие от двух представленных предлагаемый способ определения координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи предполагает раздельное определение и последующую компенсацию неизвестных частотных составляющих, возникающих при измерении разности доплеровских сдвигов частот.
По сравнению с аналогом [1] способ обеспечивает возможность проведения нескольких калибровочных измерений частотных сдвигов сигнала НИ при однократном измерении частотного сдвига сигнала ОС, поскольку разность частот гетеродинов спутников принимается постоянной в течение некоторого времени, а рассогласование гетеродинов аппаратуры ИС может быть получено при каждом калибровочном измерении.
По сравнению с прототипом [2] разработанный способ исключает процедуру синхронизации аппаратуры измерительной станции без потери точности локализации НИ за счет определения и компенсации частотного рассогласования аппаратуры ИС непосредственно при проведении геолокационных измерений.
Задача изобретения: определение и компенсация частотного рассогласования аппаратуры ИС при определении координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи.
Для решения указанной задачи предлагается способ определения координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи, заключающийся в одновременном приеме двумя АС НИ и сигнала ОС, ретранслированных двумя спутниками (основным и зеркальным), определении разностей времени прихода и доплеровских сдвигов частот сигнала НИ и сигнала ОС, использовании ОС для определения разности частот гетеродинов двух спутников.
Согласно изобретению, способ отличается тем, что на ИС происходит определение значения разности доплеровских сдвигов частот без частотной синхронизации аппаратуры ИС. Неизвестные составляющие частотного сдвига сигнала, а именно разность частот гетеродинов спутников и частотное рассогласование аппаратуры ИС определяются раздельно и компенсируются последовательно.
Технический результат - упрощение способа определения координат НИ сигналов на земной поверхности, а именно исключение из него процедуры синхронизации аппаратуры измерительной станции за счет определения и компенсации частотного рассогласования аппаратуры ИС непосредственно при проведении геолокационных измерений.
На фиг. 1 показана схема определения координат НИ сигналов в системе спутниковой связи, соответствующая разработанному способу, на фиг. 2 - схема ИС, на фиг. 3 - фрагмент мощностного спектра сигнала основного спутника, на фиг. 4 - схематичное представление мощностного спектра сигнала зеркального спутника, на фиг. 5 - график временной проекции двумерной взаимной корреляционной функции (ДВКФ) для сигнала ОС, на фиг. 6 - частотный срез ДВКФ, соответствующий нулевой разности времени прихода, на фиг. 7 - частотный срез ДВКФ для сигнала ОС, соответствующий его разности времени прихода, на фиг. 8 - график временной проекции ДВКФ для сигнала НИ, на фиг. 9 - частотный срез ДВКФ для сигнала НИ, соответствующий его разности времени прихода, на фиг. 10 - результат геолокационного измерения.
Сущность изобретения заключается в следующем. Способ определения координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи использует технологию, основанную на определении разности времени прихода и разности доплеровских сдвигов частот сигнала НИ, при его прохождении через две спутниковые линии связи.
Передающая АС НИ сигнала ориентирована на основной спутник, попадающий в область главного лепестка ее диаграммы направленности (ДН). Часть мощности передатчика НИ через боковой лепесток ДН его АС попадает на зеркальный спутник, находящийся рядом с основным спутником и имеющий пересекающийся с ним частотно-территориальный план. Таким образом, сигнал НИ ретранслируют двумя спутниками (основным и зеркальным), в результате чего на ИС возможно оценить разность времени прихода и разность частотных сдвигов сигнала НИ при его прохождении через две спутниковые линии. Полученное значение разности времени прохождения сигнала через две спутниковые линии связи служит для построения на поверхности Земли временной линии положения НИ.
Предлагаемый способ определения координат НИ сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи можно разделить на следующие этапы:
1. Поиск зеркального спутника.
2. Поиск ОС, работающей в полосе транспондера с сигналом НИ.
3. Одновременный прием сигналов основного и зеркального спутников, полоса частот которых включает в себя сигналы НИ и ОС.
4. Формирование ДВКФ для принятых групповых сигналов.
5. Поиск пиков ДВКФ и определения частотного рассогласования аппаратуры ИС, т.е. .
6. Выделение из принятых групповых сигналов полос с сигналом ОС и формирование для них ДВКФ.
7. Определение ожидаемой разности доплеровских сдвигов частот опорного сигнала  по известным координатам ОС и эфемеридам спутников.
8. Определение разности частот гетеродинов спутников  с учетом  и
9. Выделение из принятых групповых сигналов полос с сигналом НИ и формирование для них ДВКФ.
10. Поиск аргументов максимального значения ДВКФ и определение соответствующих значений разности времени прихода  и разности сдвигов частот . искомого сигнала.
11. Определение оценки разности доплеровских сдвигов частот сигнала НИ , с учетом определенных значений  и .
12. Построение временной и частотной линий положения по определенным значениям разности времени прихода  и разности доплеровских сдвигов частоты сигнала НИ .
13. Оценка местоположения сигнала НИ.
14. Проведение дополнительных калибровочных измерений, при неоднозначности первоначальной оценки. Калибровочные измерения проводят аналогично основным (операции 3, 9-12).
Разработанный способ, в отличие от прототипа [2], позволяет снизить требования к уровню подготовки аппаратуры ИС, а именно, исключить процедуру синхронизации аппаратуры ИС с опорным генератором, что позволяет упростить способ-прототип, не теряя точности геолокации НИ.
Данный способ устраняет неопределенность, обусловленную частотным рассогласованием аппаратуры ИС, на пятом этапе. Т.е. после формирования ДВКФ для сигнала ОС происходит поиск двух корреляционных пиков.
Помимо этого определенные значения величин разности частот гетеродинов двух спутников и частотного рассогласования аппаратуры ИС позволяют упростить проведение калибровочных измерений тем, что исключают, в отличие от аналога [1], требования к наличию сигнала ОС. Определение частотного рассогласования аппаратуры ИС проводится на каждом этапе калибровочных измерений по сигналу зеркального спутника, прошедшего через два приемных тракта ИС.
Частотный сдвиг сигнала НИ, принимаемого двумя АС ИС, направленными на основной и зеркальный спутники [3 - Fucheng Guo, Yun Fan, Yiyu Zhou, Caigen Xhou, Qiang Li, Space Electronic Reconnaissance: Localization Theories and Methods, Wiley, 2014], обусловлен частотным рассогласованием аппаратуры ИС, разностью частот гетеродинов спутников, а также разностью доплеровских сдвигов частоты, возникающих из-за движения спутников относительно поверхности Земли. Значение разности доплеровских сдвигов частоты сигнала НИ служит для построения на поверхности Земли частотной линии положения НИ и может быть получено из измеренного частотного сдвига принимаемых сигналов путем устранения частотного рассогласования аппаратуры ИС и разности частот гетеродинов спутников. В результате пересечения временной и частотной линий положения определяются координаты НИ сигналов на поверхности Земли.
Разность частот гетеродинов спутников определяют с помощью сигнала ОС, который проходит через две спутниковые линии связи аналогично сигналу НИ.
Разность времени прихода и разность частотных сдвигов сигналов определяют с помощью ДВКФ.
Для АС ИС, направленной на основной спутник, зеркальный спутник находится в области бокового лепестка ДН. В результате формирования ДВКФ сигналов, поступающих с двух АС ИЗ, возникает корреляционный пик, соответствующий прохождению группового сигнала зеркального спутника через два приемных тракта ИС. Данный корреляционный пик характеризуется минимальной временной задержкой, соответствующей разнице пути сигнала по двум приемным линиям, а также позволяет определить частотное рассогласование аппаратуры измерительной станции в любой момент времени, в т.ч. непосредственно в момент проведения геолокационных измерений.
Схема определения координат НИ сигналов в системе спутниковой связи, соответствующая разработанному способу, представлена на фиг. 1. На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - измерительная станция (ИС), 2, 3 - основной и зеркальный спутники (С-1, С-2), 4 - опорная станция (ОС), 5 - неизвестный источник (НИ) сигналов. Пунктирные линии представляют собой распространение сигнала через боковые лепестки ДН, а сплошные линии - через основной лепесток ДН.
Определив значение рассогласования гетеродинов аппаратуры ИС, с помощью ОС определяют разность частот гетеродинов спутников. Таким образом, используя разработанный способ, все неопределенности, возникающие при определении разности доплеровских сдвигов частот сигналов, устраняют последовательно, без предварительной синхронизации аппаратуры ИС.
Теоретическое обоснование способа определения координат неизвестного источника сигналов на земной поверхности в системе спутниковой связи, подтверждающее возможность получения указанного технического результата, представлено ниже.
Разница времени прихода и доплеровских сдвигов частот определяют с использованием ДВКФ [4 - Stein S., Algorithms for ambiguity function processing, IEEE Trans Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. ASSP-29, No. 3, June 1981.]. Общий вид ДВКФ определяется выражением (1).
1
2
где s(t), s(t+τ) - сигналы, принятые от основного и зеркального спутников.
В результате формирования ДВКФ образуются корреляционные пики, которым соответствуют значения разности времени прихода и разности частотных сдвигов коррелируемых сигналов.
Разность частотных сдвигов определяют следующим образом:
где  - разность доплеровских сдвигов частот сигнала, вызванных движением спутников на орбите;
- разность частот гетеродинов спутников;
- частотное рассогласование аппаратуры ИС (разность частот гетеродинов приемных АС и гетеродинов приемных устройств ИС). В случае синхронизации аппаратуры ИС с помощью опорного генератора равна нулю.
Для устранения разности частот гетеродинов спутников используют сигнал передатчика с известными координатами и частотой, т.е. сигнал ОС. Сигнал ОС и сигнал НИ должны находиться в полосе одного транспондера, поскольку частоты гетеродинов разных транспондеров одного спутника могут отличаться.
r изм.1
r изм.2
r оп.1
r оп.2
Используя заранее известные эфемериды двух спутников, определяют их радиальные скорости относительно ИС и ОС (V, V, V, V) [5 - Сомов A.M., Корнев С.Ф. Спутниковые системы связи: Учеб. пособие. М.: Горячая линия-Телеком. 2012]. Таким образом, зная частоту сигнала ОС на линиях «вверх»  и «вниз» , определяют разность доплеровских сдвигов частот сигнала ОС по формуле (3):
где  - доплеровский сдвиг сигнала ОС на основном спутнике;
- доплеровский сдвиг сигнала ОС на зеркальном спутнике.
r
Доплеровские сдвиги сигнала ОС при его ретрансляции двумя спутниками определяют следующим образом (с учетом условия V << c):
где c - скорость света в вакууме.
Таким образом, величину разности частот гетеродинов спутников  определяют из формулы (6):
где  - разность частотных сдвигов сигнала ОС.
Значениеполучают в результате формирования ДВКФ и определения пика, соответствующего разности времени прихода сигнала ОС при его ретрансляции через два спутника.
На фиг. 2 представлена схема ИС. На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 6, 7 - приемные АС, 8, 9 - малошумящие преобразователи (МШПР), 10, 12 - приемные устройства (ПУ), 11 - опорный генератор (ОГ), 13, 14 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП), 15 - вычислитель (В).
Сигнал НИ, ретранслируемый через два спутника, поступает на две приемные АС 6 и 7 ИС. АС 6 направлена на основной спутник, а АС 7 - на зеркальный. Сигналы, с двух АС 6 и 7, при помощи МШПР 8 и 9 переносят по частоте в L-диапазон, после чего их подают на приемные устройства 10 и 12, настраивающиеся на интересующую часть диапазона. С помощью АЦП 13 и 14 сигналы квантуют и преобразуют в кодовые последовательности. Эти кодовые последовательности поступают в вычислитель 15. В вычислителе 15 формируют ДВКФ и определяют ее корреляционные пики. Таким образом, определяют разность времени прихода сигнала НИ и разность его частотных сдвигов, при его прохождении через две спутниковые линии. Наличие опорного генератора 11 не является необходимым требованием ИС, в отличие от прототипа [2]. Разность частот гетеродинов МШПР 8 и 9 и приемных устройств 10 и 12 определяют разработанным способом.
Результаты вычислительного эксперимента
Для проверки работоспособности разработанного способа использовались два спутника с сопоставимыми частотными-территориальными планами, с разностью орбитальных позиций 2°. Измерения проводились в C-диапазоне частот. Для определения пространственного положения спутников в заданный момент времени использовались общедоступные эфемериды системы Norad в формате TLE.
Сигнал НИ и сигнал ОС находились в полосе одного транспондера основного спутника. Фрагмент мощностного спектра сигнала основного спутника представлен на фиг. 3. Ширина полосы сигнала ОС 0,7 МГц, а сигнала НИ 2 МГц.
В групповом спектре транспондера зеркального спутника присутствовала часть энергетики сигналов основного спутника, другими словами, сигналы абонентов основного спутника ретранслировались в групповом спектре зеркального спутника ниже уровня шумов транспондера. Схематично мощностный спектр сигнала зеркального спутника представлен на фиг. 4.
Сигнал НИ, поступающий по двум спутниковым линиям связи на две приемные АС, когерентно записывается. Одновременно с ним когерентно записывается сигнал ОС, который также проходит через две линии спутниковой связи.
По формуле (1) формируется ДВКФ для сигнала ОС, проходящего через две спутниковые линии связи. График временной проекции ДВКФ для сигнала ОС представлен на фиг. 5. В результате анализа временной проекции ДВКФ обнаружены два корреляционных пика.
оп
Корреляционный пик в нуле соответствует сигналу зеркального спутника, принимаемому двумя АС, поэтому определяется нулевой разностью времени прихода и частотным сдвигом, который соответствует сдвигу, вносимому аппаратурой ИС, т.е.  (частотный срез ДВКФ представлен на Фиг. 6). Таким образом, в рамках данного примера  составляет 608,55 Гц. Второму корреляционному пику соответствуют значения разности времени прихода Δt, равное 0,962 мс и разности частотных сдвигов сигнала ОС, ретранслируемого через два спутника. Частотный срез ДВКФ представлен на фиг. 7. В рамках данного примера  равно минус 821,34 Гц.
r изм.1
r изм.2
r оп.1
r оп.2
Используя заранее известные эфемериды двух спутников, определяются их радиальные скорости относительно ИС и ОС (V равна минус 0,000774 км/с, V равна минус 0,000048 км/с, V равна минус 0,000696 км/с, V равна минус 0,000076 км/с) на момент проведения измерений. Частота сигнала ОС на линиях «вверх»  равна 6268,73 МГц, а на линии «вниз»  равна 4018,73 МГц, тогда разность доплеровских сдвигов частот  определяется по формулам (3)-(5) и составляет 22,71 Гц. Таким образом, разность частот гетеродинов спутников  равна минус 1452,60 Гц.
По формуле (1) формируется ДВКФ для сигнала НИ. График временной проекции ДВКФ для сигнала НИ представлен на фиг. 8. В результате анализа временной проекции ДВКФ обнаружены два корреляционных пика.
Поскольку частотное рассогласование аппаратуры ИС и разность частот гетеродинов спутников уже определены с помощью сигнала ОС, то рассматривается только корреляционный пик, соответствующий разности времени прихода сигнала НИ , равному 0,758 мс, ретранслируемого через два спутника. Данному пику соответствует частотный срез ДВКФ, представленный на фиг. 9. Из графика получается, что  равно минус 834,18 Гц. Поскольку величины разности частот гетеродинов спутников  и частотного рассогласования аппаратуры ИС  известны, то по формуле (2)  равно 9,87 Гц.
Таким образом, величины разности времени прихода  и разности доплеровских сдвигов частот сигнала НИ  определены. С помощью этих двух параметров строятся временная и частотная линии положения НИ на поверхности Земли. Результат геолокационного измерения представлен на фиг. 10.
Поскольку значение частотного рассогласования аппаратуры ИС определено, точность локализации НИ аналогична прототипу [2] и зависит только от точности представленных данных о пространственном положении спутников, однако разработанный способ является упрощенным ввиду исключения процедуры синхронизации аппаратуры измерительной станции и, следовательно, приводит к упрощению схемы измерительной станции.