СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
METHOD OF LOCALISATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION SOURCES OF DECAMETRE RANGE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для определения местоположения источников электромагнитного излучения (ЭМИ) декаметрового диапазона.
Существующие способы локализации источников электромагнитного излучения используют, как правило, оценку амплитудных, фазовых либо амплитудно-фазовых характеристик сигналов, поступающих с антенных решеток. Совершенствование систем связи, использующих широкополосные сигналы малой спектральной плотности, выявление новых источников электромагнитного излучения, таких как искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ), делает необходимым обнаружение и локализацию источников по уровню, сопоставимых с естественными шумами. Присущие ионосферному каналу замирания приводят к необходимости увеличить соотношение сигнал/шум для повышения точности локализации источника ЭМИ, что невозможно обеспечить в случаях, перечисленных выше.
Наличие магнитного поля Земли приводит к тому, что при падении на ионосферу волны произвольной поляризации на выходе из ионосферы получаем магнитоионные компоненты, в общем случае, эллиптической поляризации. Теоретически показано, что характеристические волны (ХВ) имеют существенно разную поляризацию, называемую предельной и определяемую как [1]
о,х
где P - предельная поляризация О-обыкновенной и Х-необыкновенной ХВ,
0
- гиромагнитная частота, e, m - заряд и масса электрона, с - скорость света, Н - модуль вектора напряженности магнитного поля Земли в ионосфере, ω - циклическая рабочая частота, , ν - частота соударений между электронами и другими частицами, γ - угол между вектором магнитного поля Земли и волновым вектором.
Способом-прототипом является «Способ локализации радиопередатчиков» [2]. В этом способе с целью повышения точности локализации радиопередатчиков одновременно производится оценка углов прихода обыкновенной и необыкновенной компонент. При этом поляризационные характеристики, правосторонняя и левосторонняя, используются в качестве параметра, по которому происходит разделение на обыкновенную и необыкновенную волны, но локализация, как и прежде, основана на оценке амплитудно-фазовых характеристик сигналов, поступающих с антенн.
Поляризационные характеристики сигнала сами по себе являются источниками информации о том, каким путем пришла волна в точку приема и в какой среде происходит распространение. Показано [3], что в случае, когда сигнал мал по величине и при этом присутствует частично поляризованная помеха, его обнаружение и различение возможно путем поляризационной обработки. Выполненные автором исследования [4] показали наличие эллиптической поляризации у естественных шумов декаметрового диапазона, которые ранее считались линейно поляризованными. Следовательно, способ, показанный в [3], может быть применен и в диапазоне декаметровых волн.
Техническим результатом изобретения является повышение точности однопозиционного определения местоположения источников электромагнитного излучения малой спектральной плотности на основе оценки взаимной корреляции магнитоионных компонент поля, создаваемого этими источниками наряду с поляризационной компенсацией естественных шумов.
Эта цель достигается тем, что в предлагаемом способе для определения местоположения источника используется поляризационная обработка сигнала, заключающаяся в выделении специальным антенным устройством компонент поля с различным направлением вращения вектора электрического поля и последующей корреляционной обработки их в цифровом виде в компьютере.
Для антенн эллиптической поляризации коэффициент приема волны можно определить по формуле [3]:
n
где P  -коэффициент поляризации падающей волны;
а
Р - коэффициент поляризации приемной антенны;
n
а
знак + относится к волне, совпадающей по поляризации с приемной антенной; - при несовпадении направления вращения векторов электрического поля. Таким образом, коэффициент корреляции между двумя компонентами поля с различным направлением вращения вектора поляризации зависит от коэффициентов поляризации поля Р и приемной антенны Р. Выше было показано, что обыкновенная и необыкновенная волны обладают противоположным направлением вращения вектора, следовательно, степень избирательности можно определить как:
x
а
В случае, когда Р=Р=1, коэффициент корреляции между огибающими магнитоионных компонент равен 0. Коэффициент корреляции будет равен 1 (-1) только в случае линейной поляризации характеристических волн и приемной антенны.
В качестве антенн вращающейся поляризации автор использовал турникетные антенны. Они представляют собой два взаимоортогональных вибратора, запитываемых со сдвигом фаз 90°. В зависимости от точки подключения питающего фидера от одной антенны получаем два направления вращения: правостороннее и левостороннее. Разместим две такие антенны в двух взаимно ортогональных плоскостях, как показано на фиг.1.
В этом случае для волны произвольной поляризации и антенны эллиптической поляризации направление прихода волны в горизонтальной плоскости определяется исходя из следующего алгоритма:
1
1
- находим максимальное значение коэффициента корреляции, пусть им оказался R. Поскольку R оценивается по сигналам, получаемым от антенны правосторонней поляризации северного направления и антенны левосторонней поляризации восточного направления, то он может быть максимальным из оцениваемых только в случае прихода волны с юго-востока. Это следует из анализа поведения коэффициента корреляции при падении, к примеру, волны левосторонней поляризации с разных направлений;
2
4
2
4
- на основе сравнения коэффициентов корреляций R и R определяем отклонение направления прихода волны от биссектрисы квадранта юг-восток. Если R=R, волна пришла с направления, лежащего посередине между югом и востоком. В противном случае отклонение от биссектрисы пропорционально разности коэффициентов корреляции и может быть определено как
- поскольку мы определили направление прихода с юго-востока, то биссектриса этого квадранта будет соответствовать углу 135° и угол прихода волны можно определить как
2
4
знак перед Δ определяется соотношением Rи R.
Возможные варианты соотношений измеряемых коэффициентов корреляций сведены в таблицу, приведенную на фиг.1, и позволяют определить направление прихода волны с любого направления в горизонтальной плоскости.
Аналогичным образом определяется угол прихода волны в вертикальной плоскости, но при этом производится оценка степени коррелированности сигналов от других выходов антенн, как это показано на фиг.2.
Для реализации антенного устройства предлагаемого способа автором использовано нестандартное решение, заключающееся в применении железобетонного административного здания в качестве элемента конструкции антенны (фиг.3). Изготовление антенного устройства на основе симметричных вибраторов, правая часть фиг.2, делает необходимым их размещение на высоте 15 метров на свободностоящей мачте. Такая конструкция будет сложной в осуществлении и дорогостоящей. Известно [4], что для декаметрового диапазона длин волн подстилающая поверхность является полупроводящей и с использованием этого свойства можно получить эллиптическую поляризацию на основе единичного вибратора, расположенного специальным образом над этой поверхностью. Но при этом эллиптическая поляризация получается в узком телесном угле и параметры ее не постоянны. Если разместить два взаимоортогональных несимметричных вибратора над проводящей поверхностью, с которой они образуют угол 45°, то они и их зеркальное отображение создадут турникетную антенну. Такой проводящей поверхностью может служить крыша любого железобетонного здания, поскольку размер металлических ячеек намного меньше длины волны и для этого диапазона волн она будет эквивалентна сплошной. Подбором размера и высоты здания можно получить необходимые поляризационные характеристики. Схематически подобное антенное устройство показано в левой части фиг.3. Оно состоит из четырех штыревых антенн АПС-6-3, закрепленных на специальном опорном сооружении и расположенном посередине трехэтажного административного здания.
Для реализации предлагаемого способа автором использован аппаратурный комплекс, содержащий (фиг.4):
- антенное устройство, включающее в себя две взаимоортогональных турникетных антенны с ориентацией север-юг и восток-запад - 1;
- регистрирующее устройство, включающее в себя:
- устройство коммутации, состоящее из разветвителей - 2 и переключателей - 3,
- радиоприемные устройств - 4;
- устройство контроля и калибровки, включающее в себя двухлучевой осциллограф - 5 и измерительные приборы - 7;
- компьютер - 6.
Устройство коммутации сигналов за счет использования разветвителей 2 обеспечивает постоянство уровня сигналов, поступающих на входы радиоприемных устройств при различных сочетаниях выходов антенн. Устройство контроля и калибровки позволяет поддерживать одинаковый уровень сигнала от радиоприемных устройств, поскольку при измерениях автоматическая регулировка усиления РПУ отключена. Уровень сигнала от РПУ установлен исходя из динамического диапазона звуковой карты компьютера. Эти специальные меры приняты для устранения влияния устройств комплекса на степень коррелированности сигналов, поступающих от антенн.
Сигналы, поступающие с антенн 1, проходят через разветвители 2 и коммутируются переключателями 3 на радиоприемные устройства 4, низкочастотные выходы которых подключены к компьютеру 6. Путем соответствующего выбора положения переключателей производится запись низкочастотных сигналов всех возможных сочетаний поляризаций, приведенных в таблицах на фиг.1 и фиг.2, с последующим их переводом в цифровой вид. Затем полученная информация переводится в текстовый формат, на основе которого производится вычисление коэффициентов корреляций. Направление прихода в обеих плоскостях определяется по ранее описанному алгоритму.
Локализация источника электромагнитного излучения определяется по пеленгу в горизонтальной плоскости и удалению, определяемому по углу подъема в вертикальной плоскости на основе расчета, с использованием ионограмм станции вертикального зондирования либо модели ионосферы, к примеру IRI (International Reference Ionosphere). В условиях, когда уровень источника электромагнитного излучения сопоставим с естественными шумами, необходимо учитывать их влияние на точность локализации. С этой целью в момент отсутствия излучения производится контрольное измерение направления прихода естественных шумов, и на этой основе делается поправка в вычисленный азимут и угол места.
При локализации искусственного излучения ионосферы необходимо учитывать то обстоятельство, что источник находится на высоте от 80 до 300 километров и стандартный подход здесь не применим. При проведении модификации ионосферы для повышения эффективности воздействия, как правило, в качестве волны накачки используют гармоники гиромагнитной частоты. Известно, что гиромагнитная частота является функцией двух аргументов: высоты и геомагнитной широты [5]:
1
где f≈ 0,8 мГц;
о
r - радиус Земли;
r - расстояние от центра Земли до рассматриваемой точки;
φ - геомагнитная широта этой точки.
Автором показано [6], что исходя из характеристик ИРИ можно определить высоту воздействия, а сочетание высота - гиромагнитная частота - геомагнитная широта определяет геомагнитную параллель, вдоль которой возможно подобное воздействие. Пересечение пеленга и геомагнитной параллели определяет местоположение источника искусственного излучения ионосферы.
Способ апробирован на направлении Советская Гавань - Петропавловск-Камчатский (использовался передатчик ионосферно-волновой службы) и на вещательных станциях различного местоположения, а также для локализации ИРИ [6].
Источники информации
1. К.Дэвис. Радиоволны в ионосфере. - Мир, 1973. - 504 с.
2. "Способ локализации радиопередатчиков". RU 2154836 C2, 20.08.2000 (прототип).
3. Поздняк С.И., Мелитицкий В.А. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн. - Советское радио, 1974. - 478 с.
4. Сивоконь В.П. Поляризация коротких волн в ионосферном канале связи. // Электросвязь. - 2007 - №7. - С.55-58.
5. Гершман Б.Н. и др. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - Наука, 1984. - 391 с.
6. Сивоконь В.П. Вариации шумов КВ-диапазона как результат модификации ионосферы. // Электросвязь. - 2009 - №1. - С.52-56.