Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи
METHOD OF DETERMINING THE LOCATION OF SATELLITE EARTH STATION

Изобретение относится к области спутникового радиоконтроля и может быть использована при поиске и локализации земных станций спутниковой связи (далее по тексту ЗССС), являющихся источниками побочных излучений (далее по тексту ИПИ) в стволах с прямой ретрансляцией спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите (далее по тексту CP).
Известен способ определения координат неизвестного передатчика системой спутниковой связи, описанный в патенте США №5008679, МПК G01S 005/02, G01S 003/02, G01S 001/24 от 31.01.1991 опубл. 16.04.1991, заключающийся в том, что в системе используют два спутника-ретранслятора на геостационарной орбите СР1 и СР2, неизвестный передатчик в сторону СР1 излучает сигнал по основному лепестку диаграммы направленности, а в сторону СР2 - по боковому лепестку, на земных станциях ЗС1 и ЗС2 ретранслируемые с СР1 и с СР2 сигналы неизвестного передатчика принимают со сдвигом по времени, на поверхности Земли определяют изолинию постоянных разностей расстояний от неизвестного передатчика до двух точек орбитальных позиций СР1 и СР2, измеряют вызванное суточным движением СР1 и с СР2 доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала, на поверхности Земли определяют доплеровскую изолинию - постоянства значений доплеровского смещения частоты для СР1 и СР2, определяют местоположение неизвестного передатчика как точку пересечения доплеровской и дальностной изолиний.
Недостатки способа: сложность реализации, так как требуются выбор пары спутников с совпадением частотно-поляризационных планов на близко расположенных орбитальных позициях, внешний источник данных об эфемеридах перемещения спутников в окрестностях номинальных орбитальных позиций и специальная многостанционная наземная система для устранения неоднозначности определения местоположения ЗССС.
i
t
t
t
t
i
T
t
T
Известен также способ определения местоположения земной станции по ретранслированному сигналу в описании изобретения к патенту РФ №2172495, МПК G01S 5/00, G01S 5/06 от 06.05.2000, опубл. 20.08.2001, заключающийся в том, что принимают сигнал от земной станции на приемной земной станции, измеряют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для всей трассы «земная станция - спутник - приемная земная станция» в соответствующие моменты времени t с шагом Δ обрабатывают их, на основе обработки вычисляют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы «земная станция - спутник». Общее число Q измеренных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы «земная станция - спутник - приемная земная станция» и вычисленных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы «земная станция - спутник» выбирают из условия 100≤Q≤86400/Δ, а значение Δ выбирают в пределах Δ=30…6000 с, запоминают упомянутые Q значения и соответствующие им моменты времени t, вычисляют размер максимальной пеленгационной базы, причем пеленгационной базой являются различные пары точек орбиты спутника, запоминают его, группируют попарно все возможные сочетания пеленгационных баз на интервале упомянутых Q значений с шагом n=Δ/Δ, где Δ - временной шаг формирования пеленгационных баз, сравнивают размеры пеленгационных баз в сгруппированных парах с пороговым значением, выделяют пары пеленгационных баз, в которых обе пеленгационные базы не короче порогового значения, измеряют угол между пеленгационными базами в выделенных парах пеленгационных баз, сравнивают измеренный угол с пороговым значением, выбирают пары пеленгационных баз, в которых измеренный угол между ними не менее порогового значения, и для каждой из выбранных пар пеленгационных баз интегрируют на соответствующем каждой пеленгационной базе интервале времени запомненные значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы «земная станция-спутник» и определяют разностно-дальномерным способом местоположение земной станции, а после определения местоположения запоминают координаты земной станции, усредняют запомненные координаты, а результат усреднения определяют как окончательное местоположение земной станции.
Недостаток способа: ограничение функциональности при определении местоположения ЗССС, являющейся ИПИ, входящей в состав легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же СР. Из-за ошибок измерения доплеровского сдвига частоты сигнала на трассе «ЗССС - CP - приемная ЗССС» погрешность определения координат ИПИ в составе легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же CP, может составлять десятки километров, что превышает расстояние между соседними ЗССС при высокой территориальной плотности размещения (единицы километров), при этом в оценку координат вносится неопределенность, исключающая идентификацию ИПИ путем привязки к координатам легитимной ЗССС.
Технический результат: упрощение реализации способа с устранением ограничения функциональности на территории с высокой плотностью размещения ЗС при определении местоположения ИПИ в составе легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же СР.
s
н
s
s
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
s
s
s
s
s
s
s
r
s
Технический результат в способе определения местоположения ЗССС, являющейся ИПИ в составе легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же CP, достигается за счет одновременного приема и измерения уровней ретранслируемых полезных сигналов ЗССС и побочного излучения и определения местоположения ЗССС - ИПИ на основе обработки полученных измерений, при этом ретранслируемые полезные сигналы ЗССС и побочное излучение, принимаемые стационарной станцией спутникового радиоконтроля (далее по тексту ССРК), регистрируют в виде последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения х(n), взятых на интервале наблюдения T в дискретные, равноотстоящие друг от друга моменты времени, где n=1, 2, …, N - нумерация отсчетов с шагом Δt, Δt=const, s=1, 2, …, S - нумерация легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же CP, на основе сравнения соседних отсчетов последовательностей y(n) и х(n) формируют одномерные массивы: A с элементами A(k)=1, если y<y, A(k)=-1, если y>y, A(k)=0, если y=y, и B с элементами В(k)=1, если x<x, B(k)=-1, если x>x, B(k)=0, если x=x, где k=1, 2, …, N-1, сравнивают попарно элементы с одинаковыми индексами массивов A и B, по результатам сравнения вырабатывают признак: «единица» - при совпадении элементов и «ноль» - при несовпадении, для каждой из пар массивов A и B на основе суммирования значений признаков определяют количество совпадений элементов с одинаковыми индексами w, по удельному весу w оценивают сходство динамики отсчетов последовательностей y(n) с последовательностью x(n), в качестве меры сходства используют показатель W=w/(N-1), учитывают влияние взаимного расположения ЗССС и областей объемно распределенных гидрометеоров (далее по тексту ОРГ) с ограниченными размерами занимаемого пространства на трассах «Земля - СР» на сходство динамики регистрируемых отсчетов, при этом имеют в виду, что динамика отсчетов связана с изменением уровней полезных сигналов ЗССС и побочного излучения при их распространении на трассах «Земля - СР» через области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, а также то, что ЗССС - ИПИ в отличие от любой другой легитимной ЗССС, работающей через данный СР, имеет сходство динамики отсчетов последовательности y(n), где r - индекс ЗССС - ИПИ в составе легитимных ЗССС, с последовательностью x(n) из-за того, что полезный сигнал ЗССС - ИПИ и побочное излучение излучаются вместе из одной точки и распространяются по одной и той же трассе «Земля - СР», проходящей через одни и те же области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, вследствие чего для такой ЗССС показатель сходства W имеет значение близкое к единице, кроме того имеют в виду, что ни одна из последовательностей y(n), где s≠r, не имеет сходства динамики отсчетов с последовательностью x(n), так как полезные сигналы ЗССС, не являющихся ИПИ, работающих через данный СР, распространяются по трассам «Земля - СР», не совпадающим с трассой распространения побочного излучения, учитывая отмеченные особенности динамики регистрируемых отсчетов и полагая, что сходство динамики отсчетов обеспечивается при W≥0,95, местоположение ИПИ определяют путем привязки к координатам ЗССС, входящей в состав легитимных ЗССС, работающих через СР, подверженный воздействию побочного излучения, для которой, согласно результатам обработки измерений, значение показателя сходство динамики ее отсчетов с отсчетами побочного излучения W составляет не менее 0.95.
s
s
r
В отличие от аналогов в заявляемом изобретении при определении местоположения ИПИ используют ССРК, при этом антенну ССРК наводят на СР, через который одновременно ретранслируются побочное излучение и полезные сигналы ЗССС. К антенно-фидерному тракту ССРК подключают измерительный приемник для измерения среднеквадратичных значений мощности (уровней) ретранслируемых полезных сигналов ЗССС и побочного излучения. Измерения выполняют в дискретные, равноотстоящие друг от друга моменты времени, где n=1, 2, …, N - нумерация отсчетов с шагом Δt при Δt=const. Результаты измерений регистрируют в виде последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), где s=1, 2, …, S - нумерация легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же СР. Последовательности дискретных отсчетов, регистрируемых ССРК, обрабатывают и определяют значения показателя сходства динамики W. Местоположение ИПИ определяют путем привязки к ЗССС, для которой показатель W≥0,95, где r - индекс ЗССС - ИПИ в составе легитимных ЗССС.
В аналоге измеряют доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала для всей трассы "ЗССС - СР - приемная ЗССС". Это требует внешнего высокостабильного опорного генератора и знания точного времени, что делает реализацию известных способов более сложной по сравнению с заявляемым изобретением, в котором измеряют уровни сигналов.
В аналоге местоположение ЗССС определяют разностно-дальномерным методом. Это требует точных данных об эфемеридах СР в конечных точках пеленгационных баз, что влечет за собой дополнительные затраты на внешний источник данных об эфемеридах перемещения спутников в окрестностях номинальных орбитальных позиций и усложняет известные способы по сравнению с заявляемым изобретением, в котором такие данные не используются.
s
s
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
s
s
s
s
s
s
s
s
r
В отличие от аналогов в заявляемом изобретении оценивают сходство динамики последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), регистрируемых ССРК на интервале наблюдения в дискретные, равноотстоящие друг от друга моменты времени. Для этого сравнивают соседние отсчеты последовательностей полезных сигналов ЗССС и побочного излучения, регистрируемых ССРК. По результатам сравнения формируют одномерные массивы: A с элементами A(k)=1, если y<y, A(k)=-1, если y>y, A(k)=0, если y=y, и B с элементами B(k)=1, если x<x, B(k)=-1, если x>x, B(k)=0, если x=x, где k=1, 2, …, N-1. Элементы массивов A и B с одинаковыми индексами сравнивают попарно и вырабатывают признак: «единица» - при совпадении элементов и «ноль» - при несовпадении. Для каждой пары массивов A и B суммируют полученные значения признаков и определяют количество совпадений элементов с одинаковыми индексами w. По удельному весу количества совпадений элементов с одинаковыми индексами w оценивают сходство динамики последовательностей y(n) с последовательностью x(n). Мерой сходства служит показатель W=w/(N-1). Если W≥0.95, то причиной сходства динамики последовательностей, считают совместное излучение сигналов из одной точки и их прохождение по трассе «Земля - СР» через одни и те же области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства. Местоположение ИПИ определяют привязкой к географическим координатам ЗССС, для которой показатель W≥0,95, где r - индекс ЗССС - ИПИ в составе легитимных ЗССС.
s
s
s
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
s
s
s
s
s
s
s
r
s
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с известными способами, отличается от них существенными признаками, так как включает одновременный прием и измерение ретранслируемых полезных сигналов ЗССС и побочного излучения и определение местоположения ЗССС - ИПИ на основе обработки полученных измерений, при этом уровни ретранслируемых полезных сигналов ЗССС и побочного излучения, принимаемых ССРК, регистрируют в виде последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), взятых на интервале наблюдения в дискретные, равноотстоящие друг от друга моменты времени, где n=1, 2, …, N - нумерация отсчетов с шагом Δt, Δt=const, s=1, 2, …, S - нумерация легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через один и тот же СР, на основе сравнения соседних отсчетов последовательностей y(n) и x(n) формируют одномерные массивы: A с элементами A(k)=1, если y<y, A(k)=-1, если y>y, A(k)=0, если y=y, и B с элементами B(k)=1, если x<x, B(k)=-1, если x>x, B(k)=0, если x=x, где k=1, 2, …, N-1, сравнивают попарно элементы с одинаковыми индексами массивов A и B, по результатам сравнения вырабатывают признак: «единица» - при совпадении элементов и «ноль» - при несовпадении, для каждой из пар массивов A и B на основе суммирования значений признаков определяют количество совпадений элементов с одинаковыми индексами w, по удельному весу w оценивают сходство динамики отсчетов последовательностей y(n) с последовательностью x(n), в качестве меры сходства используют показатель W=w/(N-1), учитывают влияние взаимного расположения ЗССС и областей ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства на трассах «Земля - СР» на сходство динамики регистрируемых отсчетов, при этом имеют в виду, что динамика отсчетов связана с изменением уровней полезных сигналов ЗССС и побочного излучения при их распространении на трассах «Земля - СР» через области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, а также то, что ЗССС - ИПИ в отличие от любой другой легитимной ЗССС, работающей через данный СР, имеет сходство динамики отсчетов последовательности y(n), где r - индекс ЗССС - ИПИ в составе легитимных ЗССС, с последовательностью x(n) из-за того, что полезный сигнал ЗССС - ИПИ и побочное излучение излучаются вместе из одной точки и распространяются по одной и той же трассе «Земля - СР», проходящей через одни и те же области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, вследствие чего для такой ЗССС показатель сходства W имеет значение близкое к единице, кроме того имеют в виду, что ни одна из последовательностей y(n), где s≠r, не имеет сходства динамики отсчетов с последовательностью x(n), так как полезные сигналы ЗССС, не являющихся ИПИ, работающих через данный СР, распространяются по трассам «Земля - СР», не совпадающим с трассой распространения побочного излучения, учитывая отмеченные особенности динамики регистрируемых отсчетов и полагая, что сходство динамики отсчетов обеспечивается при W≥0,95, местоположение ИПИ определяют путем привязки к координатам ЗССС, входящей в состав легитимных ЗССС, работающих через СР, подверженный воздействию побочного излучения, для которой, согласно результатам обработки измерений, показатель сходства динамики ее отсчетов с отсчетами побочного излучения W имеет значение не менее 0.95.
Кроме этого заявляемый способ обладает новизной в сравнении с известными способами, отличаясь от них такими существенными признаками, как учет закономерностей в динамике последовательностей отсчетов полезного сигнала ЗССС - ИПИ и побочного излучения и использование для определения местоположения ИПИ сходства этих закономерностей при распространении полезного сигнала ЗССС - ИПИ и побочного излучения вместе из одной точки по трассе «Земля - СР», походящей через одни и те же области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, а также обеспечение координатной привязки ИПИ вне зависимости от территориальной плотности размещения ЗССС, благодаря тому, что в нем для этой цели используют позицию ЗССС - ИПИ, в которой обеспечивается сходство динамики последовательностей отсчетов полезных сигналов ЗССС и побочного излучения, регистрируемых ССРК. Все это приводит к упрощению приемов определения местоположения ЗССС.
Наличие отличительных от аналога существенных признаков позволяет признать заявляемое техническое решение новым.
Из уровня техники не выявлены технические решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого способа, поэтому заявляемый способ отвечает критерию изобретательского уровня.
Возможность осуществления заявляемого изобретения в промышленности позволяет признать его соответствующим критерию промышленной применимости.
Сущность способа и возможность его реализации поясняются фигурами 1, 2, 3, где
на фиг. 1 приведена схема геометрического представления реализации способа;
s
s
на фиг. 2 показаны последовательности отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), являющиеся исходными данными для формирования массивов A и B;
s
s
s
s
s
на фиг. 3 показаны массивы A и B, содержащие результаты сравнения соседних отсчетов последовательностей y(n) и x(n), а также результаты попарного сравнения элементов с одинаковыми индексами массивов A и B, необходимые для оценки сходства динамики последовательностей y(n) с последовательностью x(n) на основе показателя W.
Заявляемый способ заключается в следующем.
s
s
s
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
s
s
s
s
s
ССРК размещается на фиксированной позиции. Перед сеансом измерений антенну ССРК наводят на СР - ретранслятор побочного излучения и полезных сигналов легитимных ЗССС с известными координатами (фиг. 1). К антенно-фидерному тракту ССРК подключают измерительный приемник, с помощью которого измеряют среднеквадратичные значения мощности (уровни) ретранслируемых побочного излучения и полезных сигналов легитимных ЗССС. Среднеквадратичные значения уровней мощности побочного излучения и полезных сигналов регистрируют в эквидистантные моменты времени. Результаты измерений регистрируют в виде последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), где n=1, 2, …, N - нумерация отсчетов с шагом Δt, Δt=const, s=1, 2, …, S - нумерация легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через СР - ретранслятор побочного излучения (фиг. 2). На основе сравнения соседних отсчетов последовательностей y(n) и x(n) формируют одномерные массивы: A с элементами A(k)=1, если y<y, A(k)=-1, если y>y, A(k)=0, если y=y, и B с элементами B(k)=1, если x<x, B(k)=-1, если x>x, B(k)=0, если x=x, где k=1, 2, …, N-1. Элементы массивов A и B с одинаковыми индексами k попарно сравнивают. При совпадении элементов вырабатывают признак «единица», в противном случае - «ноль». Для каждой из пар массивов A и B значения признаков суммируют и определяют количество совпадений w (фиг. 3). Удельный вес количества совпадений W=w/(N-1) используют в качестве показателя сходства динамики отсчетов ретранслируемых полезных сигналов легитимных ЗССС с ретранслируемым побочным излучением. При этом местоположение ИПИ определяют путем привязки к координатам ЗССС, входящей в состав легитимных ЗССС, работающих через СР, подверженный воздействию побочного излучения, для которой, согласно результатам обработки измерений, показатель сходства динамики ее отсчетов с отсчетами побочного излучения W имеет значение не менее 0.95.
Способ распространяется на прием сигналов ССРК в условиях «ясное небо», при работе искомой ЗССС без перестройки частоты настройки и с постоянной излучаемой мощностью.
Пример осуществления заявляемого способа.
н
s
s
s
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
s
s,k
s,k+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
s
s
s
s
s
s
r
Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи - источника побочного излучения осуществляется следующим образом. Антенну ССРК перед сеансом измерений наводят на СР, через который ретранслируется побочное излучение. ССРК принимает ретранслируемые полезные сигналы легитимных ЗССС и побочное излучение. Для измерения уровней полезных сигналов и побочного излучения используют измерительный приемник, подключенный к антенно-фидерному тракту ССРК. Интервале наблюдения T выбирают исходя из условия гарантированного перекрытия времени «жизни» ряда областей ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства, равным 3…5 час. Результаты измерений регистрируют в виде последовательностей отсчетов уровней полезных сигналов ЗССС y(n) и побочного излучения x(n), где n=1, 2, …, N - нумерация отсчетов, s=1, 2, …, S - нумерация легитимных ЗССС с известными координатами, работающих через СР - ретранслятор побочного излучения. Шаг отсчетов выбирают, равным 1 сек. На основе сравнения соседних отсчетов последовательностей y(n) и x(n) формируют одномерные массивы: A с элементами A(k)=1, если y<y, A(k)=-1, если y>y, A(k)=0, если y=y, и B с элементами B(k)=1, если x<x, B(k)=-1, если x>x, B(k)=0, если x=x, где k=1, 2, …, N-1. Элементы массивов A и B с одинаковыми индексами сравнивают попарно и вырабатывают признак: «единица» - при совпадении элементов и «ноль» - при несовпадении. Для каждой из пар массивов A и B суммируют значения признаков и определяют количество совпадений элементов с одинаковыми индексами w. По удельному весу этого количества оценивают сходство динамики последовательностей отсчетов полезных сигналов ЗССС и побочного излучения, регистрируемых ССРК. Мерой сходства служит показатель W=w/(N-1). Если W≥0.95, то причиной сходства динамики последовательностей отсчетов, считают совместное излучение регистрируемых ССРК сигналов из одной точки и прохождение их трасс «Земля - СР» через одни и те же области ОРГ с ограниченными размерами занимаемого пространства. Местоположение ИПИ определяют привязкой к географическим координатам ЗССС, для которой показатель W≥0,95, где r - индекс ЗССС - ИПИ в составе легитимных ЗССС. Технико-экономических эффект.
Использование заявляемого способа позволит упростить реализацию способа определения местоположения ЗССС, являющейся источником побочного излучения, с устранением ограничения функциональности на территории с высокой плотностью размещения ЗССС.