ОДНОПОЗИЦИОННЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ОТНОСИТЕЛЬНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
RADIO FREQUENCY SOURCES COORDINATES ONE-POSITION CORRELATION RELATIVE RANGING LOCATION DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения 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. Известен способ [3], заключающийся в приеме сигналов источников радиоизлучений в полосе частот ΔF перемещающимся в пространстве измерителем. При перемещении измерителя измеряют уровни сигналов в n (n≥4) точках, последовательно вычисляют n уровней сигнала, по вычисленным отношениям строят n круговых линий положения и определяют координаты источников радиоизлучения как точку пересечения n круговых линий положения. Для повышения достоверности определения местоположения используют статистику. Основным недостатком этого аналога является его нереализуемость, так как так найти точку пересечения n2 круговых линий положения нельзя.
ц
ц
i
i
Известен угломерно-корреляционный способ оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения [4]. Угломерно-корреляционный способ оценивания координат местоположения наземных источников радиоизлучения (ИРИ), заключающийся в том, что на борту самолета-пеленгатора одновременно измеряют собственные координаты местоположения x(k), угол курса , пеленг ИРИ , отличающийся тем, что бортовая вычислительная система (БВС) осуществляет разбиение участка местности вокруг ИРИ с грубо определенными прямоугольными координатами x, 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  и , определяющий совпадение текущего местоположения ИРИ с измеренным элементарным участком местности, координаты которого известны, или взвешенные суммы квадратов разностей текущих измеренных и расчетных значений пеленгов  и , при этом критерием совпадения текущей реализации пеленгов и их расчетных значений является минимум функционала качества ,
Недостатки этого аналога:
1. Способ рассчитан только на применение на борту самолета-пеленгатора,
2. Требует измерения собственных координат местоположения самолета-пеленгатора,
3. Требует предварительного грубого определения местоположения ИРИ,
4. Требует разбиения участка местности вокруг предполагаемого местоположения ИРИ,
5. Требует измерения пеленгов на каждый участок местности возможного местоположения ИРИ.
Известно также техническое решение [5], которое относится к радиолокации, в частности, к определению местоположения источников радиоизлучений. Техническим результатом является обеспечение возможности определения координат источников радиоизлучений однопозиционной наземной радиолокационной станцией и независимо от условий местности.
Указанный технический результат достигается также тем, что в радиолокационной станции, содержащей пассивный канал обнаружения, включающий последовательно соединенные антенну и приемник, а также блок вычисления координат, содержащий последовательно соединенные устройство измерения сдвига принимаемых сигналов во времени и устройство вычисления координат.
Суть способа состоит в следующем.
Для определения координат источника радиоизлучения используют два канала: пассивный и активный каналы обнаружения. Вся система размещена на одной позиции.
Δ
Антенна пассивного канала обнаружения направлена на источник и принимает его прямое радиоизлучение. Для измерения дальности до источника радиоизлучения с угловыми координатами  (угол места) и  (азимут) используется объект, отражающий радиоизлучение этого источника При этом с помощью активного канала обнаружения работающего в пассивном режиме, осуществляются операции поиска, обнаружения и измерения угловых координат (угла места -  и азимута - ) объекта, отражающего излучение, коррелированное с прямым излучением (т.е. осуществляется поиск отражающего объекта). По положению максимума взаимной корреляционной функции излучений, принятых двумя каналами обнаружения, определяют величину временного сдвига t этих излучений.
После чего осуществляется зондирование направления с координатами  и измеряется дальность Ro до объекта, при необходимости уточняются координаты .
Недостатками этого аналога являются:
1. Способ может применяться только к цифровым (дискретным) видам связи.
2. Необходимы два канала: активный и пассивный, что совершенно недопустимо в военных условиях применения из за демаскирования средства.
3. Необходимость измерения сдвига принимаемых сигналов во времени требует системы жесткой синхронизации.
4. Необходимо осуществлять операции поиска, обнаружения и измерения угловых координат (угла места -  и азимута - ) объекта, отражающего излучение.
Наиболее близким, по своей технической реализуемости, к заявляемому способу является способ [6], выбранный за прототип.
Способ определения координат местоположения источников радиоизлучения, основанный на измерении параметров радиоизлучений в нескольких точках пространства сканирующими радиоприемными устройствами и преобразованных в систему уравнений окружностей равных отношений, отличающийся тем, что для измерения параметров радиоизлучений используют N, не менее четырех, стационарных радиоконтрольных постов, расположенных не на одной прямой, один из которых принимают за базовый, снабжая его дополнительным специальным программным обеспечением и соединяя с остальными N-1 постами линиями связи, на всех постах осуществляют квазисинхронное сканирование по заданным фиксированным частотам настройки, усредняют полученные значения уровней сигналов на каждой из сканируемых частот, а затем на базовом посту для каждого из сочетаний  (сочетаний из N по 4) на основании обратно пропорциональной зависимости отношений расстояний от поста до источника радиоизлучения и соответствующих им разностей уровней сигналов, выраженных в дБ, составляют три уравнения, каждое из которых описывает окружность равных отношений, по параметрам двух любых пар которых и определяют текущее среднее значение широты и долготы местоположения источника радиоизлучения.
Основными недостатками прототипа являются:
1. Необходимость иметь не менее 4-х СРКП, требующих обеспечения радиосвязи между ними, что снижает надежность и эффективность такой системы определения КМПИРИ, а также демаскирует параметры ее функционирования и местоположение перед иностранной радиоразведкой.
2. Нет простого решения по повышению точности определения КМПИРИ путем, например, статистических накоплений.
Целью настоящего изобретения является разработка способа определения координат местоположения ИРИ, не требующего дополнительных аппаратных затрат для его реализации на существующих радиоконтрольных постах Радиочастотной службы Российской Федерации, в котором устранены недостатки прототипа.
Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ), основанный на измерении и вычислении напряженности поля на радиоконтрольных постах в нескольких точках пространства, и отличительных: 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 виртуального поста (ВП), вычисляют по специализированной программе напряженность поля в месте расположения РКП и ВП, создаваемую каждым q базовым радиоэлектронным средством (q БРЭС), известным по базе данных заданного диапазона частот и находящимся в секторе измеренного азимута, устанавливают корреляционную зависимость (КЗ) между напряженностью поля на ВП и напряженностью поля на РКП, составляют по вычисленным напряженностям уравнения линий положения в виде окружностей равных отношений (ОРО) напряженностей (окружность Аполлония) полей, создаваемых от каждого из q БРЭС, составляют уравнения азимутальных лучей, исходящих из РКП и ВП на каждый из последних, и переопределяют координаты q БРЭС, как координаты точек пересечения ОРО с лучами, направленными от РКП и ВП на q БРЭС, получают, при этом, калибровочные характеристики (КХ) пары РКП/ВП по широте (КХШ) и долготе (КХД), как зависимость вычисленных координат q БРЭС от истинных, вычисляют величину напряженности поля на ВП по КЗ и величине измеренной на РКП напряженности от ИРИ, а, затем, составляют уравнение ОРО этих напряженностей (окружность Аполлония), вычисляют пробные координаты искомого ИРИ, как координаты точек пересечения ОРО с лучами, исходящими от РКП и ВП, с измеренным и вычисленным для них азимутами на ИРИ, усредняют, и корректируют по КХ вычисленные координаты, а после этого фиксируют их, как окончательные. 2. Однопозиционный угломерный относительно-дальномерный способ отличающийся по п. 1 тем, что, вместо одного ВП, задают координаты n ВП, получают, при этом, n пар РКП/ВП и n калибровочных характеристик по широте (КХШ) и долготе (КХД), вычисляют  пробных значений, КМПИРИ, корректируют по КХ вычисленные координаты, усредняют и, после этого, фиксируют их, как окончательные.
Задача определения координат местоположения источника радиоизлучения с одной позиции может быть решена при использовании дополнительного (виртуального) поста. По известным координатам постов (основного и виртуального) и полученным на этих постах результатам измерения или вычислений напряженностей поля сигналов и измерений азимута на искомый ИРИ с одного поста могут быть определены координаты местоположения ИРИ (КМПИРИ)
Для определения КМПИРИ априори должна быть известна несущая частота его радиоизлучений, что достигается (для любых методов) на этапе сканирования диапазонов или полос частот с определенным шагом радиоприемным устройством или с помощью спектроанализатора, позволяющего точнее определить значение несущей частоты в полосе радиоизлучения ИРИ.
Для осуществления способа используем детерминистскую модель со следующими допущениями:
1. Используем уравнения распространения сигналов в свободном пространстве [1].
2. Параметры и характеристики приемников постов радиотехнических измерений идентичны, а их изменения, а также изменения параметров и характеристик наблюдаемых РЭС и условий распространения сигналов на интервале измерений отсутствуют.
3. Диаграммы направленности приемных и передающих антенн в горизонтальной плоскости круговые.
1. Однопозиционный корреляционный относительно-дальномерный способ определения координат местоположения источников радиоизлучения, основанный на измерении параметров искомого источника радиоизлучений (ИРИ) на одном радиоконтрольном посту (РКП) и вычислении тех же параметров в точке, местоположение которой полагается известным, отличающийся тем, что, измеряют азимут на него, применяя РКП с логопериодической поворотной антенной системой (ЛПАС), задают координаты местоположения двух виртуальных постов (ВП) в секторе измеренного на ИРИ азимута на расстоянии нескольких угловых минут относительно РКП, вычисляют по специализированной программе напряженность поля в месте расположения РКП, ВП1 и ВП2, создаваемую каждым из q базовых радиоэлектронных средств (q БРЭС), известных по базе данных заданного диапазона частот применяемого РКП и находящихся в секторе измеренного азимута, устанавливают корреляционную зависимость (КЗН) между вычисленными напряженностями полей на ВП и РКП, составляют для ВП1 и ВП2, по вычисленным напряженностям, q уравнений линий положения в виде q окружностей равных отношений (ОРО) напряженностей полей (окружности Аполлония), создаваемых независимо каждым из q БРЭС, составляют уравнения базовых линий между центрами q ОРО1 (ЦОРО1) и q ОРО2 (ЦОРО2), а также q уравнений радикальных осей ОРО1 и ОРО2, и переопределяют координаты q БРЭС, как координаты точек пересечения q радикальных осей ОРО с соответствующими q базовыми линиями ОРО, получают, при этом, калибровочные характеристики (КХ) пар РКП/ВП1 и РКП/ВП2 по широте (КХШ) и долготе (КХД), как зависимости разности истинных и вычисленных координат q БРЭС от вычисленных; измеряют на РКП напряженность поля искомого ИРИ и вычисляют по ней, используя КЗН, величину напряженности поля на ВП1 и ВП2, а, затем, составляют для пар ВП1/РКП и ВП2/РКП два уравнения ОРО (окружностей Аполлония), уравнение радикальной оси и базовой линии ОРО этих напряженностей, вычисляют пробные координаты искомого ИРИ, как координаты точки пересечения радикальной оси ОРО с их базовой линией, корректируют их по КХ, а, потом, усредняют и фиксируют, как окончательные.
2. С целью повышения точности определения КМПИРИ вместо одного ВП, задают координаты n ВП, получают, при этом, n пар корреляционных зависимостей напряженностей поля РКП/ВП и n калибровочных характеристик по широте (КХШ) и долготе (КХД), получают n ОРО,  радикальных осей пар ОРО и  их базовых линий, вычисляют  пробных значений КМПИРИ, как координат точек пересечения  радикальных осей с соответствующими  базовыми линиями, корректируют по КХШ и КХД, усредняют и фиксируют их, как окончательные.
Принцип действия способа поясняется иллюстрациями, приведенными на:
фигуре 1 - размещение РКП, виртуальных постов ВП1 и ВП2, окружностей равных отношений (ОРО1 и ОРО2) с центрами ЦОРО1 и ЦОР02, радикальной их оси и базовой линии, искомого ИРИ,
фигуре 2 - пример корреляционной зависимости напряженности, созданной базовыми РЭС на ВП от напряженности поля этих же БРЭС на РКП, аппроксимированной полиномом,
фигуре 3 - калибровочная характеристика пары РКП/ВП по долготе,
фигуре 4 - калибровочная характеристика пары РКП/ВП по широте,
фигуре 5 - размещение РКП (точка А), виртуальных постов ВП1 и ВП2, ВПЗ, окружностей равных отношений (ОРО1, ОРО2 и ОРО3) с центрами ЦОРО1 и ЦОРО2, радикальных осей и базовых линий, азимута ϕ на ИРИ, пробных координат искомого ИРИ (1/2, 1/3, 2/3).
Напряженность поля в любой точке изотропной среды связана с мощностью излучающего объекта, в том числе и искомого ИРИ, и его расстоянием R от точки местоположения излучателя, формулой [7]:
Здесь P - мощность ИРИ в кВт, η - коэффициент полезного действия антенны, G - коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя, R - расстояние, в км.
Отсюда, для двух точек a и b, получают:
Эти отношения напряженностей в точках а и b при приеме сигналов не зависят от мощности передатчика и статистически равны отношению расстояний или отношению времен распространения от ИРИ до точек приема сигналов. Как корреляционно связаны продолжительности распространения сигналов, пропорциональные расстояниям от ИРИ до точек их приема, так и напряженности в точках приема корреляционно, а не функционально, детерминировано, связаны друг с другом. Почему корреляционно, а не функционально? Трассы распространения разные, среда распространения не является изотропной. Расстояния от ИРИ до точек приема определяются не только координатами точек местоположения ИРИ и приема сигналов, но и особенностью трассы распространения радиоволны: препятствиями, переотражениями и т.п. В предложенном способе для измерения напряженности сигналов используется только один РКП. С этого же поста измеряют азимут ϕ на искомый ИРИ. Для определения КМПИРИ применены два дополнительных виртуальных поста. Для этих постов задают только координаты их местоположения. Параметры ИРИ в них вычисляют. Напряженность на ВП вычисляют по результату измерения напряженности на РКП и с использованием корреляционной зависимости между точками пространства по напряженности (КЗН), полученной в результате расчета напряженности по какой либо известной программе, например, по программе ПИАР [8]. Координаты ИРИ, выявленного в результате сканирования диапазона частот в процессе радиоконтроля, как претендента на поиск, находят, как координаты точки пересечения радикальной оси двух окружностей равных отношений (ОРО1 и ОРО2) с базовой линией, проходящей через центры этих ОРО. Для получения КЗН, из базы данных РЭС используемого РКП, формируют перечень qБPЭC, координаты которых находятся в секторе измеренного для искомого ИРИ азимута. По данным этих РЭС (координаты, мощность, высота подвеса антенны, коэффициент усиления антенны и другие параметры, необходимые для расчета напряженности поля), взятым из базы данных, производят расчет напряженности по программе [8], как для РКП, так и для обоих ВП. Уравнение аппроксимированной корреляционной зависимости напряженности для пар ВП1/РКП и ВП1/РКП от напряженности на РКП, по результатам выполненного их расчета, получают с помощью стандартной программы Excel. Для получения уравнения ОРО запишем уравнения исходных окружностей положения ИРИ через их радиусы и географические координаты постов в виде:
а
а
Для РКП (x, y) в точке A:
в
в
Для ВП1 (x, y) в точке B:
с
с
Для ВП2 (x, y) в точке C:
Уравнения ОРО находят путем деления квадратов радиусов исходных окружностей, приравнивая полученное отношение обратному отношению квадратов напряженностей поля в точках размещения (фиг. 1) этих окружностей, то есть, в точке A РКП, и точке ВП1. При этом, получают:
, где:  - квадрат отношения напряженностей поля сигналов в точках В и А. Уравнения ОРО для поста С получают аналогично:
, где:  - квадрат отношения напряженностей поля сигналов в точках C и A. Отношение напряженностей поля сигналов, согласно (2), делает решение задачи определения координат местоположения излучающих объектов инвариантным относительно мощности этих РЭС и снижает погрешность координатометрии от флюктуации напряженности поля сигналов. Коэффициенты  и  с принятыми допущениями зависят только от взаимного расположения РКП и пунктов ВП1, ВП2 и наблюдаемого ИРИ. Преобразовав выражения (6) и (7), в соответствии с выражениями (3) и (4), получим уравнения ОРО:
ав
ав
ав
где: x, y, R - координаты и радиус ОРО1 (окружности Аполлония), определяют по следующим соотношениям:
Соответственно, координаты и радиус ОРО2 (окружности Аполлония) получают виде следующих соотношений:
Уравнение радикальной оси получают вычитанием друг из друга уравнений ОРО1 и ОРО2, представленных в (8). Уравнение радикальной оси имеет вид:
, где:
Уравнение базовой линии, проходящей через ЦОРО1 и ЦОРО2 может быть представлено в виде:
Совместное решение уравнений (11) и (13) дает пробные (предварительные) координаты КМПИРИ в виде:
а
b
Так как и азимут ϕ, измеренная напряженность Е и вычисленная напряженность E включают случайную и систематическую ошибки, то и полученный результат вычисления КМПИРИ будет содержать ошибку. Для ее снижения предусматривают калибровку способа по калибровочной характеристике.
Вычисленные по уравнениям (14) и (15), пробные КМПИРИ корректируют по калибровочным характеристикам (КХ) пары РКП/ВП, приведенным на фиг. 3 (КХ по долготе) и фиг. 4. (КХ по широте). Калибровочные характеристики получают, как зависимости разности истинных и вычисленных координат по базе данных БРЭС от вычисленных. После корректировки КМПИРИ их фиксируют, как окончательные.
2. Для повышения точности определения КМПИРИ увеличивают количество ВП. Для чего: задают координаты n ВП, вычисляют по специализированной программе, например, [7], напряженность поля в месте расположения n ВП и РКП, создаваемую каждым q базовым радиоэлектронным средством (q БРЭС) заданного диапазона частот, известным по базе данных и находящимся в секторе измеренного азимута.
По вычисленным напряженностям поля q БРЭС составляют для всех ВП n аппроксимированных корреляционных зависимостей напряженности (КЗН) на ВП от напряженности на РКП. Затем, составляют для каждой пары ВП/РКП n уравнений линий положения в виде ОРО (окружностей Аполлония), и переопределяют координаты БРЭС, как координаты точек пересечения радикальных осей n ОРО с их базовыми линиями, проходящими через центры соответствующих пар ОРО. Получают, при этом, n калибровочных характеристик (КХ) для n пар РКП/ВП, как зависимости разности истинных и переопределенных координат БРЭС от вычисленных. Измеряют напряженность поля ИРИ и по полученной ранее КЗН и измеренной напряженности поля искомого ИРИ, вычисляют величину напряженности поля ИРИ на n ВП. Составляют для каждой из n пар РКП/ВП уравнения линий положения в виде ОРО этих напряженностей (окружности Аполлония). Составляют для каждого сочетания пар ОРО  уравнений радикальных осей и базовых линий и находят по уравнениям (14) и (15)  пробных значений координат местоположения искомого ИРИ, как координат точек пересечения соответствующих радикальных осей и базовых линий этих пар ОРО. На фиг. 5. иллюстрируется, на примере трех ВП, получение пробных значений координат ИРИ. По каждой КХ пары РКП/ВП корректируют вычисленные координаты, усредняют все пробные откорректированные координаты искомого ИРИ и фиксируют усредненные откорректированные значения, как окончательные. Применение n ВП, вместо одного, требует, как это описано по п 1, формулы, получения n КЗ и n КХ (по долготе и широте) при однопозиционном измерении на СРКП напряженности искомого ИРИ При этом, увеличивается статистика в  раз, что приводит к снижению среднего значения ошибки определения КМПИРИ в  раз и снижению среднеквадратической ошибки более, чем в 0,5n раз.
Предложенный способ, по принципу работы и отсутствию средств радиосвязи для своего функционирования, является пассивным, наиболее скрытным и, следовательно, наименее уязвимым для обнаружения средствами радиоразведки. Способ, для своей реализации, является предельно минимальным по количеству оборудования, размещенном на одной позиции. Способ позволяет без каких либо затрат, только путем увеличения количества виртуальных постов, повышать точность определения КМПИРИ.
Таким образом, предложенный способ позволяет устранить недостатки прототипа и определять местоположение любых стационарных источников ИРИ. Отсутствие принципиальных ограничений по быстродействию, низкая стоимость внедрения способа, не требующего дополнительных аппаратных затрат для его реализации на существующих радиконтрольных постах Радиочастотной службы Российской Федерации, прозрачность алгоритма определения местоположения ИРИ, свидетельствует о высокой технико-экономической эффективности предложенного способа.
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 г.
4. 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.
5. Способ определения координат источника радиоизлучения и радиолокационная станция для его реализации. Патент РФ №2217773 Автор(ы): Беляев Б.Г., Голубев Г.Н., Жибинов В.А., Кисляков В.И., Лужных С.Н.
6. Способ определения координат местоположения источников радиоизлучений. Патент РФ №2423721 С2. Авторы: Логинов Ю.И., Екимов О.Б.
7. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R Р. 525-2* (* 3-я Исследовательская комиссия по радиосвязи внесла в 2000 году в настоящую Рекомендацию редакционные поправки в соответствии с Резолюцией МСЭ-R 44.) Расчет ослабления в свободном пространстве.
8. Проектирование и анализ радиосетей. Описание и инструкция по эксплуатации. Ярославль, 2009.