Способ определения местоположения источника сигналов
METHOD OF DETERMINING SIGNAL SOURCE LOCATION

Изобретение относится к измерительной технике, к пеленгаторам и предназначается для определения местоположения источников сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) и(или) света искусственного и естественного происхождения (например, молниевых разрядов или промышленных взрывов) и может быть использовано в метеорологии, в службе наблюдения за грозовой деятельностью, в морском транспорте и авиации.
Оценка направления и дальности до источника сигналов при установке одного устройства на однопозиционном пункте наблюдения возможна с помощью способов, анализирующих соотношение параметров света или ЭМИ (амплитуд сигналов на приемниках ЭМИ или света с дипольными диаграммами направленности, взаимно перпендикулярными в горизонтальной плоскости) и изменение параметров принимаемого сигнала ЭМИ (длительность переднего фронта, длительность пика, отношение амплитуд частотных составляющих и др.) в зависимости от расстояния, пройденного сигналом. Для уменьшения погрешности оценки дальности устанавливают два устройства на расстоянии друг от друга (измерительная база) и применяют триангуляционный способ определения дальности. Способ заключается в том, что из двух пунктов наблюдения, расстояние между которыми известно, определяют углы прихода ЭМИ или света относительно линии, соединяющей пункты наблюдения, и решают геометрическую задачу нахождения сторон треугольника по известной стороне и двум измеренным углам [1]. Однако при малых углах относительно линии, соединяющей пункты наблюдения, применение способа дает большую погрешность [2].
Большинство регистрируемых событий (грозовые разряды, промышленные взрывы и др.) сопровождается быстрыми сигналами (ЭМИ или вспышка света), распространяющимися с высокой скоростью и сопутствующими медленными сигналами, распространяющимися с низкой скоростью (например, инфразвук или сейсмические волны), но пеленгация с использованием медленных сигналов от этих событий не дает лучших результатов из-за зависимости скорости распространения медленных сигналов от состояния среды распространения, т.е. из-за незнания точного значения скорости распространения медленных сигналов в данный момент в данном месте.
Однако, использование обоих видов сигналов (например, светового или электромагнитного излучения и инфразвука или сейсмических колебаний) на двухпозиционном пункте наблюдения дает новое качество, так как позволяет одновременно с пеленгом определить значение скорости распространения сопутствующих медленных сигналов в данный момент и соответственно более точно определить дальность до источника сигнала при известном расстоянии между точками регистрации.
Таким образом могут быть использованы инфразвуковые, акустические, сейсмические, ультразвуковые волны и другие сопутствующие медленные сигналы от регистрируемого события.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, раскрытый в статье [3] (комбинированная система грозоопределения, состоящая из инфразвукового комплекса и электрической антенны), где местоположение и дальность до источника сигнала определяются после события по результатам дальнейшей обработки оператором записанных сигналов. Для определения азимута используются разности времени прихода инфразвуковых сигналов на не менее чем на три микробарометра, разнесенные друг от друга более чем на 90 метров (трехпозиционная система регистрации), а для определения дальности до источника сигнала используется разность времени прихода сигналов на электростатический флюксметр и инфразвуковой микрофон (или микробарометры).
Недостатками прототипа является большая погрешность использования его на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение погрешности использования его на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения.
Технический результат достигается тем, что в способе определения местоположения источника сигналов, заключающемся в том, что приемниками регистрируют время прихода быстрого сигнала (электромагнитного излучения или света) на однопозиционный пункт наблюдения с двумя точками регистрации сопутствующих медленных сигналов (инфразвуковых, акустических, сейсмических или ультразвуковых волн), а также регистрируют время прихода медленных сигналов на две точки регистрации и определяют для каждой точки регистрации разность времени прихода быстрого сигнала и медленных сигналов, дополнительно, для каждой точки регистрации, до прихода медленных сигналов, регистрируют быстрый сигнал двумя приемниками с дипольными диаграммами направленности, взаимно перпендикулярными в горизонтальной плоскости, и по соотношению сигналов приемников с дипольными диаграммами направленности определяют угол прихода быстрого сигнала между направлением из точки регистрации на источник быстрого сигнала и линией, соединяющей обе точки регистрации, а после прихода медленных сигналов и определения разности времени прихода быстрого сигнала и медленных сигналов для каждой точки регистрации, по углам прихода быстрого сигнала, известному расстоянию между точками регистрации и разностям времени прихода быстрого сигнала и медленных сигналов для каждой точки регистрации определяют скорость распространения медленных сигналов, по разностям времени прихода быстрого сигнала и медленных сигналов для каждой точки регистрации и скорости распространения сопутствующих медленных сигналов определяют расстояния от точек регистрации до источника быстрого сигнала, а по расстояниям от двух точек регистрации до источника быстрого сигнала и известному расстоянию между точками регистрации определяют местоположение источника быстрого сигнала.
Способ иллюстрируется схемой, приведенной на чертеже. Из схемы следует:
1
2
D=Δt*V*cosγ+Δt*V*cosβ;
где a, b - расстояния до источника сигналов, γ, β - углы между направлением на источник сигналов и линией, соединяющей обе точки регистрации (точку 1 и точку 2),
V - скорость сопутствующих медленных сигналов,
1
Δt - разность времени между приходом быстрого сигнала и приходом сопутствующих медленных сигналов в точку 1,
2
Δt - разность времени между приходом быстрого сигнала и приходом сопутствующих медленных сигналов в точку 2,
D - известное расстояние между точками регистрации (база).
Предлагаемый способ, например, при использовании инфразвука реализуется следующим образом.
Принимают сигналы ЭМИ (света) на однопозиционном пункте наблюдения с двумя точками регистрации и размещенными на каждой точке двумя приемниками с дипольными диаграммами направленности, взаимно перпендикулярными в горизонтальной плоскости, и микробарометром, подключенными через усилители и аналого-цифровые преобразователи к вычислителю. В качестве приемников с дипольными диаграммами направленности используются магнитные антенны для приема ЭМИ и две взаимно перпендикулярные пары датчиков света с зависимостью амплитуды сигнала от координат, как, например, в патенте США [4], снабженные светофильтрами, формирующими диаграмму чувствительности в горизонтальной плоскости в виде окружности, касательной к плоскости датчика света. Пара таких датчиков света, направленных в противоположные стороны, обеспечивает диаграмму чувствительности в горизонтальной плоскости в виде восьмерки, как у магнитной антенны.
В случае превышения быстрым сигналом от любого приемника заданного уровня начинают цикл обработки сигналов и отсчет времени задержки инфразвука для каждой из двух точек регистрации.
Определяют направление на источник быстрого сигнала для каждой из двух точек регистрации, вычисляя отношение амплитуд быстрых сигналов двух приемников с дипольными диаграммами направленности, взаимно перпендикулярными в горизонтальной плоскости [5]
y
х
tgα=А/А,
x
y
где α - угол между направлением на источник сигналов и линией, соединяющей обе точки регистрации; А, А - амплитуды быстрых сигналов двух приемников с дипольными диаграммами направленности, взаимно перпендикулярными в горизонтальной плоскости, ориентированных максимумами диаграмм направленности по осям X и Y.
Полученные направления для двух точек регистрации соответствует углам γ, β прихода быстрого сигнала на точки регистрации.
1
2
Регистрируют время прихода инфразвука для первой и второй точек регистрации и вычисляют разности Δt и Δt времени прихода быстрого сигнала и инфразвука для двух точек регистрации.
1
2
По измеренным разностям времени прихода быстрого сигнала и инфразвука Δt и Δt, по углам прихода сигналов β и γ на точки регистрации и по известному расстоянию D между точками регистрации определяют значение скорости инфразвука (1) во время прохождения сигналов и расстояния (2) от точек регистрации до источника сигналов.
По известному расстоянию D между точками регистрации и расстояниям (2) от точек регистрации до источника сигналов определяют местоположение источника сигналов.
Такой способ, в отличие от триангуляционного способа, работоспособен и при малых углах, и при нулевых углах, когда источник быстрого сигнала расположен на линии, проходящей через точки регистрации.
Таким образом, используемые действия способа реализуются для инфразвука, сейсмических колебаний при замене микробарометра на сейсмометр, и других сопутствующих ЭМИ (свету) медленных сигналов, позволяют уменьшить размеры базы за счет низкой скорости распространения сопутствующих медленных сигналов и уменьшают погрешность способа при размещении точек регистрации и применении способа на одном пункте наблюдения или на средстве передвижения.
Источники информации
1. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. - М.: Радио и связь, 1987. стр. 150.
2. Результаты моделирования триангуляционного способа определения дальности с применением двух и трех станций, Коровин Е.С. 2012 г. ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики», г. Омск, радиосеминар, доклад, стр. 1-33,
http://radioseminar.omsu.ru/files/simulation/the%20simulation%20results%20triangulation%
20method%20of%20range%20with%20the%20use%20of%20two%20or%20three%stations.pdf.
3. Электромагнитная акустическая система обнаружения грозовых разрядов, К.В. Вознесенская, А.В. Соловьев, И.С. Гибанов, Д.С.Провоторов, М.В. Чепчугов, А.А. Бочаров, Вестник науки Сибири. 2012. №5 (6), http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/510/420, УДК 534.321.8.
4. Панорамный фотоэлектрический обнаружитель молний (патент США №3937951, H01J 39/12, 1974 г. опубл. 10.02.1976 г.).
5. Широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство (патент РФ №2474014 C1, H01Q 7/04, 2011 г., опубл. 27.01.2013).