СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С БОРТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРИОРТОГОНАЛЬНОЙ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF A RADIO-FREQUENCY SOURCE FROM AN AIRCRAFT BOARD USING A TRI-ORTHOGONAL DIPOLE ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиомониторинга при решении задачи скрытного определения координат источников радиоизлучений (ИРИ), в частности для определения координат ИРИ с борта летательного аппарата (ЛА).
1
2
1
2
2
ПТ
ПТ
Известен способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов (CP) [1]. Указанный способ заключается в том, что на основе измерений временных задержек и частотных сдвигов между переданными и принятыми тестовыми сигналами системы, с учетом известных координат первого и второго спутников-ретрансляторов CP, СР, векторов их скоростей  координат узла межсетевого сопряжения (УМС) и предварительно заданных частот конвертирования ƒг, ƒг рабочих частот CP1, СР, вычисляют широту ϕ и долготу λ пользовательского терминала (ПТ).
Для реализации указанного известного способа выполняют следующие этапы:
1
определяют расстояние  между первым CP и ПТ;
2
определяют расстояние  между вторым СР и ПТ;
ПТ
2ПТ
измеряют модуль  азимут α вектора скорости пользовательского терминала и его высоту t относительно земной поверхности;
1
2
1
2
вычисляют в УМС доплеровские сдвиги частот  первого и второго узкополосных тестовых сигналов, обусловленные радиальными скоростями ПТ относительно CP и СР, для чего предварительно определяют ют вероятные местоположения ПТ с учетом известных координат CP, СР и определенных параметров
1
2
определяют, по меньшей мере, один из параметров: радиальную скорость  перемещения первого CP относительно ПТ, и/или радиальную скорость  перемещения второго СР относительно ПТ, с учетом доплеровских сдвигов частот и/или
ПТ
ПТ
вычисляют широту ϕ и долготу λ ПТ.
При таком способе обеспечивается высокая точность определения координат пользовательского терминала в широком диапазоне скоростей его перемещения за счет определения частотных сдвигов сигналов системы.
Недостатками аналога являются: длительное время определения координат ПТ, связанное с необходимостью проведения дополнительных измерений модуля, азимута вектора скорости ПТ и его высоты относительно земной поверхности; необходимость ответной передачи тестовых сигналов с ПТ, чьи координаты необходимо определить в УМС через СР.
Известен способ определения координат ИРИ с использованием летательного аппарата [2]. Указанный способ заключается в том, что:
выбирают 3-мерную декартову систему координат (ДСК) для производства измерений и расчетов;
размещают измеритель на ЛА;
перемещают указанный ЛА в пространстве;
принимают радиосигнал ИРИ в заданной полосе частот ΔF;
измеряют и запоминают первичные координатно-информативные параметры принятого радиосигнала, в качестве которых используют амплитуды напряженности электрического поля (АНЭП), создаваемые ИРИ в точках приема;
измеряют и запоминают вторичные параметры (ВП) - координаты местоположения ЛА;
n
n
n
n
многократно измеряют и запоминают совокупности АНЭП E (где n=1…Ν) и ВП - координаты ЛА в 3-х мерной ДСК x, y и z в процессе перемещения ЛА;
вычисляют N-1 коэффициентов окружностей Апполония, как отношений АНЭП, перемноженных на обратные отношения высот ЛА в соответствующих точках измерения;
формируют Ν-1 сферических поверхностей положения (СПИ) ИРИ путем построения и последующего вращения окружностей Апполония вокруг осей, соединяющих соответствующие фокусы;
в качестве координат ИРИ в пространстве принимают координаты точки пересечения N-1 указанных СПИ ИРИ.
В указанном способе компенсируется ошибка определения координат ИРИ на плоскости на основе использования СПП ИРИ, формируемых вращением окружностей Апполония вокруг осей, соединяющих соответствующие фокусы.
Недостатком аналога являются длительное время определения координат ИРИ, связанное с необходимостью измерения N≥5 раз совокупности АНЭП и ВП в процессе перемещения ЛА.
1
2
Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по своей технической сущности является способ определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата с использованием триортогональной вибраторной антенной системы (ТОВАС) [3] заключающийся в том, что: принимают радиосигналы с использованием ТОВАС, измеряют координаты центров и углы ориентации ТОВАС в различные моменты времени t и t, затем формируют вспомогательные плоскости положения ИРИ, определяют линии положения ИРИ как линии пересечения каждой из вспомогательных плоскостей положения ИРИ с поверхностью Земли и вычисляют координаты ИРИ в точке пересечения линий положения ИРИ.
1
2
Недостатком способа прототипа является длительное время определения координат ИРИ, связанное с временным интервалом между моментами времени t и t, обусловленным необходимостью перемещения ЛА между измерениями на расстояние, соизмеримое с расстоянием от ЛА до ИРИ.
Техническим результатом изобретения является снижение времени, затрачиваемого на определение координат ИРИ, на основе использования ТОВАС, состоящей из трех антенных элементов (АЭ) в виде несимметричных вибраторов штыревого типа.
3
3
3
3
Л
Л
Л
Л
Л
1
2
1
2
х1
у1
z1
x2
y2
z2
Л
Л
Л
Л
х1
у1
z1
x2
y2
z2
E1
Ε2
Л
Ε1
Ε2
1
2
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения координат ИРИ с борта ЛА с использованием ТОВАС, состоящей из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа, заключающемся в том, что выбирают топоцентрическую декартову систему координат (ДСК) OXYΖ и ДСК OXYZ связанную с ЛА для производства измерений и расчетов, размещают измерительную аппаратуру, оснащенную ТОВАС, на ЛА, который перемещают в пространстве, измеряют координаты центра ТОВАС O и углы ориентации ТОВАС в моменты времени t и t, измеряют в моменты времени t и t с помощью ТОВАС ортогональные компоненты Е, Е, E и E, E, E векторов напряженности электрического поля  принятого аналогового радиосигнала, определяют ориентацию векторов напряженности электрического поля  в ДСК OXYZ путем векторного сложения ортогональных компонент Е, Е, E и E, E, E соответственно, строят вспомогательные плоскости Ω и Ω, так, что бы они были перпендикулярны векторам  соответственно и проходили через центр ТОВАС O, вычисляют координаты ИРИ с учетом вспомогательных плоскостей Ω и Ω, временной интервал между моментами времени t и t выбирают равным четверти периода электромагнитной волны Т/4 измеряемого радиосигнала.
Ε1
Ε2
Дополнительно строят линию положения ИРИ  соответствующую пересечению плоскостей Ω и Ω.·Выбирают поверхность Земли как поверхность положения ИРИ. Вычисляют координаты ИРИ находящегося в точке пересечения линии положения ИРИ  с поверхностью Земли.
З1
З2
В качестве поверхности Земли выбирают плоскость Ω, если расстояние от ЛА до предполагаемого ИРИ менее 100 км. Если же расстояние от ЛА до предполагаемого ИРИ более 100 км, то в качестве поверхности Земли выбирают сферу Ω с радиусом R, зависящем от широты ЛА.
1
2
Ε1
Ε2
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков, в том числе за счет выбора временного интервала между моментами времени t и t равным четверти периода электромагнитной волны 774 измеряемого радиосигнала, построения линии положения ИРИ  соответствующей пересечению плоскостей Ω и Ω, вычисления координат ИРИ, находящегося в точке пересечения линии положения ИРИ  с поверхностью Земли, достигается цель изобретения: снижение времени, затрачиваемого на определение координат ИРИ, на основе использования ТОВАС, состоящей из трех антенных элементов в виде несимметричных вибраторов штыревого типа. Снижение времени, затрачиваемого на определение координат ИРИ, обуславливается отсутствием необходимости перемещения ЛА на расстояние, соизмеримое с дальностью от ЛА до ИРИ.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
Ε1
1
на фиг. 1 положение вспомогательной плоскости Ω, включающей вектор  и перпендикулярной вектору  в момент времени t;
Ε2
2
на фиг. 2 положение вспомогательной плоскости Ω, включающей вектор  и перпендикулярной вектору  в момент времени t;
Ε1
Ε2
на фиг. 3 положение линии положения ИРИ  как линии пересечения вспомогательных плоскостей Ω и Ω;
Л
Л
Л
Л
на фиг. 4 конфигурация ТОВАС состоящая из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа в ДСК OXYZ;
х1
у1
z1
1
Л
Л
Л
Л
на фиг. 5 ортогональные компоненты Е, Е, E вектора напряженности электрического поля  в момент времени t в ДСК OXYZ;
x2
y2
z2
2
Л
Л
Л
Л
на фиг. 6 ортогональные компоненты E, E, E вектора напряженности электрического поля  в момент времени t в ДСК OXYZ;
1
2
3
4
Л
Л
Л
Л
на фиг. 7 векторы напряженности электрического поля с эллиптической поляризацией  в моменты времени t, t, t и t в ДСК OXYZ;
х
у
z
х1
у1
z1
x2
y2
z2
1
2
на фиг. 8 временные диаграммы ортогональных компонент Е, Е, E, принятых на АЭ 3, 4 и 5 ТОВАС, а также их значения Е, Е, E и E, E, E, измеренные в моменты времени t и t соответственно;
З1
3
3
3
3
на фиг. 9 графическое представление определения координат ИРИ как пересечения линий положения ИРИ  с поверхностью Земли, представленной в виде плоскости Ω в ДСК ΟΧΥΖ;
З2
3
3
3
3
на фиг. 10 графическое представление определения координат ИРИ как пересечения линий положения ИРИ  с поверхностью Земли, представленной в виде сферической поверхности Ω в ДСК ΟΧΥΖ.
Определение координат ИРИ является важным составным элементом мониторинга сигналов. Достоинством системы ОМП ИРИ является скрытность при определении координат вследствие отсутствия активного излучения. Размещение технических средств системы ОМП на ЛА и в том числе на беспилотных ЛА позволяет существенно расширить зону мониторинга с возможностью осуществлять обнаружение и определение координат ИРИ в труднодоступных районах.
Использование ЛА в качестве платформы для развертывания средств радиомониторинга приводит к возникновению ряда проблем, основными из которых являются:
увеличение уровня помех и связанное с ним снижение отношения сигнал/шум на входе бортового радиоприемного устройства;
ограничение массогабаритных показателей полезной нагрузки на ЛА, которые не позволяют разместить на нем эффективные антенные системы и многоканальные радиоприемные устройства;
нестабильность ориентации ЛА в пространстве, которая приводит к резкому увеличению ошибок пеленгования и к снижению точности определения координат ИРИ.
Большинство способов определения координат ИРИ основано на пеленговании радиосигналов несколькими измерителями, либо одним, перемещающимся в пространстве измерителем. Повышение точности определения координат ИРИ в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгования. В частности, в способе прототипе в ходе определения координат ИРИ предусмотрено перемещение ЛА на расстояние, соизмеримое с расстоянием от ЛА до ИРИ.
В предложенном способе координат ИРИ определяют с помощью сосредоточенной ТОВАС, способной определить поляризацию радиосигнала в точке приема.
Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора напряженности магнитного  или электрического  поля в фиксированной точке пространства.
1
2
На фиг. 1 и фиг. 2 отображены ИРИ 1 и измеритель 2 параметров электромагнитной волны в моменты времени t и t.
Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии. Для характеристики этого явления вводят вектор Пойтинга  Он определяет направление и величину плотности потока мощности электромагнитного поля от ИРИ в каждой точке пространства.
1
2
1
2
На фиг. 1 и фиг. 2 отображены положения вектора Пойтинга  а также векторов напряженности электрического  и магнитного  полей в моменты времени t и t соответственно. Причем временной интервал между моментами времени t и t выбирают равным четверти периода электромагнитной волны 774 измеряемого радиосигнала. Перемещением в пространстве ЛА за указанный временной интервал можно пренебречь.
ΕH
На фиг. 1 и фиг. 2 показана часть фазового фронта волны Ω, определяемого как поверхность одинаковых фаз векторов поля  перпендикулярных направлению распространения электромагнитной волны (т.е. перпендикулярная вектору Пойтинга ).
Ε1
Ε2
1
2
Л
Вспомогательные плоскости Ω и Ω, ортогональны векторам напряженности электрического поля  в моменты времени t и t соответственно и проходят через центр ТОВАС О.
Ε1
Ε2
1
2
E1
Ε2
Пересечение плоскостей Ω и Ω, соответствует линии положения ИРИ  (см. фиг. 3). Поскольку временной интервал между моментами времени t и t выбирают равным четверти периода электромагнитной волны 774 измеряемого радиосигнала, угол между плоскостями Ω и Ω, равен π/2.
Для измерения ортогональных компонент векторов напряженности электрического поля  в заявленном способе используют ТОВАС, состоящую из трех АЭ 3, 4 и 5 в виде несимметричных вибраторов штыревого типа (см. фиг. 4).
1
2
Л
Л
Л
Л
Л
Л
Л
Л
Л
Л
Л
В предлагаемом способе для моментов времени t и t используют ДСК OXYZ, в которой центр координат О совмещен с центром ТОВАС, оси OХ, ОY и OΖ направлены вдоль АЭ 3, 4 и 5 (см. фиг. 4).
х1
y1
z1
1
Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля Е, E и E, измеренных на АЭ 3, 4 и 5 ТОВАС соответственно в момент времени t составляет вектор напряженности электрического поля  (см. фиг. 5).
х2
y2
z2
2
Аналогично, векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля Е, E и E, измеренных на АЭ 3, 4 и 5 ТОВАС в момент времени t составляет вектор напряженности электрического поля  (см. фиг. 6).
1
2
3
4
Л
Л
Л
Л
1
2
2
3
3
4
На фиг. 7 отображены векторы напряженности электрического поля с эллиптической поляризацией  в моменты времени t, t, t и t в ДСК OXYZ. Между моментами времени t и t, t и t, t и t выбран временной интервал составляющий четверть периода электромагнитной волны Т/4. За период электромагнитной волны Τ вектор напряженности электрического поля эллиптической поляризацией  опишет эллипс и вернется в первоначальное состояние.
х
y
z
1
2
х1
у1
z1
x2
y2
z2
На фиг. 8 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Е, E, E, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 3, 4 и 5 ТОВАС соответственно. В моменты времени t и t измеряют значения компонент Е, Е, E и E, E, E с помощью АЭ 3, 4 и 5 ТОВАС соответственно.
Ε1
Ε2
Л
1
2
Л
Л
Л
Л
Ε1
Ε2
Строят вспомогательные плоскости Ω и Ω, ортогональные векторам напряженности электрического поля  соответственно и проходящие через центр ТОВАС О в моменты времени t и t, который совмещен в свою очередь с началом ДСК OXYZ (см. фиг. 9 и фиг. 10). Вспомогательные плоскости Ω и Ω описываются уравнениями:
Ε1
Ε2
Строят линию положения ИРИ  на пересечении плоскостей Ω, Ω.
Алгебраически такое построение соответствует решению системы уравнений (1)и(2):
Вычисляют координаты точки пересечения линий положения ИРИ  и поверхности Земли.
З1
З1
3
3
3
3
В качестве поверхности Земли выбирают плоскость Ω, если расстояние от ЛА до предполагаемого ИРИ менее 100 км (см. фиг.9). Уравнение плоскости Ω в выбранной топоцентрической ДСК ΟΧΥΖ будет иметь вид:
z=0.
Л
1
2
З1
Л
Л
Л
Л
На основе измеренный координат центра ТОР АС О и углов ориентации ТОРАС в моменты времени t и t, используя матрицы поворота, преобразуют уравнение плоскости Ω в ДСК OXYZ связанную с ЛА:
1
z = ƒ(x, y).
Тогда координаты точки пересечения линии положения ИРИ  и поверхности Земли будут удовлетворять системе уравнений:
З2
З2
3
3
3
3
В качестве поверхности Земли выбирают сферическую поверхность Ω, если расстояние от ЛА до предполагаемого ИРИ более 100 км (см. фиг. 10). Уравнение плоскости Ω в выбранной топоцентрической ДСК ΟΧΥΖ будет иметь вид:
0
0
0
2
2
2
2
(х-х)+(у-у)+(у-у)=R,
0
0
0
З
З
где х, у и z - координаты О в геоцентрической ДСК; R - эквивалентный радиус Земли, соответствующий широте О.
Л
1
2
З2
Л
Л
Л
Л
На основе измеренных координат центра ТОР АС О и углов ориентации ТОРАС в моменты времени t и t, используя матрицы поворота, преобразуют уравнение сферической поверхности Ω в ДСК OXYZ связанную с ЛА:
2
z = ƒ(x, y).
Тогда координаты точки пересечения линий положения ИРИ  и поверхности Земли будут удовлетворять системе уравнений:
Л
Л
Л
Л
3
3
3
3
Решением системы уравнений (4) или (5) будут координаты точки пересечения линий положения ИРИ  с поверхностью Земли. Полученные координаты принимают в качестве координат ИРИ в ДСК OXYZ. При необходимости возможно, используя матрицы поворота, преобразовать указанные координаты в топоцентрическую ДСК ΟΧΥΖ.
Реализация заявленного способа преимущественно целесообразна при размещении ТОВАС на подвижном объекте, в частности на ЛА. При этом необходимо с высокой точностью определять координаты ЛА и углы ориентации ЛА.
Снижение времени, затрачиваемого на определение координат ИРИ, заявленным способом по сравнению со способом прототипом возможно в десятки и даже сотни раз (в зависимости от дальности между ЛА и ИРИ), которое достигается за счет за счет отсутствия необходимости перемещения ЛА в ходе определения координат ИРИ на большие расстояния, соизмеримые с дальностью от ЛА до ИРИ, что указывает на возможность достижения указанного технического результата.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов. Патент РФ на изобретение №2605457 от 18.09.2015. Опубл. 20.12.2016. Бюл. 35.
2. Агиевич С.Н., Дворников С.В., Земсков Д.С., Севидов В.В., Федоренко И.В. Способ определения координат источника радиоизлучения с использованием летательного аппарата. Патент РФ на изобретение №2644580 от 31.05.17. Опубл. 13.02.2018. Бюл. 5.
3. Богдановский С.В., Гайдин А.П., Клишин А.В., Симонов А.Н. Способ определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата. Патент РФ на изобретение №2619915 от 22.06.2016. Опубл. 19.05.2017. Бюл. 14.