РАЗНОСТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
DIFFERENTIAL-ENERGY METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF RADIO-FREQUENCY RADIATION SOURCES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), сведения о которых отсутствуют в базе данных государственной радиочастотной службы. 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-1 отношений уровней сигнала, по вычисленным отношениям строят N-1 круговых линий положения и определяют координаты источников радиоизлучения как точку пересечения N-1 круговых линий положения. Для повышения достоверности определения местоположения используют статистику. Основные недостатки прототипа:
1. Необходимость измерения уровней сигналов в N≥4 точках, требующая больших временных затрат на перемещение мобильного радиоконтрольного поста или больших материальных затрат для стационарного варианта радиоконтрольных постов.
2. Наличие сингулярности круговых линий положения (окружностей Аполлония) при близких значениях уровней сигналов в точках их измерения, приводящее к большой погрешности определения координат местоположения ИРИ.
3. Низкая вероятность определения координат местоположения кратковременно излучающих ИРИ, работающих на одной и той же несущей частоте, например, радиоэлектронные средства связи (РЭС) производственно-технологического назначения с симплексным режимом работы, так как за время перемещения в новую точку измерения может прекратить работу один и начать работу на этой же частоте другой источник радиоизлучения и, естественно, с другими координатами местоположения, отличающимися от предыдущих;
4. Большая неопределенность, и даже принципиальная невозможность определения координат местоположения мобильных ИРИ, так как за время перемещения измерителя в новую точку для измерения уровня сигналов мобильный ИРИ может существенно изменить свое местоположение;
5. Низкое быстродействие и высокая трудоемкость получения статистики, обусловленные большими временными затратами на перемещение мобильного измерителя между точками измерения (не менее, чем в четырех точках пространства) для получения данных об уровнях сигналов;
Из других известных способов наиболее близким аналогом предлагаемого способа по технической сущности является способ [4], в котором используется не менее 4-х стационарных радиоконтрольных постов. К недостаткам этого способа, выбранного за прототип, следует отнести:
1. Большое количество постов N≥4, удорожающее реализацию способа, но не повышающее точности определения координат.
2. Наличие сингулярности круговых линий положения (окружностей Аполлония Пергского) при близких значениях уровней сигналов в точках их измерения, приводящее к большой погрешности определения координат местоположения ИРИ.
Целью настоящего изобретения является разработка способа определения координат местоположения ИРИ, включая мобильные ИРИ или радиоэлектронные средства связи производственно-технологического назначения с симплексным кратковременным режимом работы, в котором устранены недостатки прототипа. Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ, основанный на измерении уровней сигналов радиоизлучений в нескольких точках пространства радиоприемными устройствами радиоконтрольных постов, расположенными не на одной прямой, один из которых, принятый за базовый, соединен с остальными радиоприемными устройствами линиями связи и отличительных признаков: что для измерения уровней сигналов радиоизлучений используют три стационарных радиоконтрольных поста, на базовом посту на основании вычисленных отношений измеренных уровней сигналов составляют три уравнения окружностей положения с центрами, соответствующими координатам расположения постов, и определитель Кэли-Менгера, выражающий взаимосвязь квадратов расстояний между постами, а также квадратов относительных расстояний от постов до источника, по которому определяют действительное расстояния от постов до источника, а затем по двум любым, из трех возможных, парам уравнений окружностей определяют текущее среднее значение широты и долготы местоположения источника радиоизлучения, как координаты точки пересечения радикальных осей, то есть как координаты радикального центра окружностей положения. При этом последние операции повторяют до тех пор, пока разность двух смежных значений текущих сумм СКО широты и долготы местоположения источника радиоизлучения не изменит свой знак, после чего усредненные значения координат местоположения источника излучения фиксируют как окончательные.
а
в
с
a
в
с
a
b
c
На фиг.1 представлены: схема расположения 3-х стационарных постов радиоконтроля с координатами по широте х, х, х, и долготе y, y, y, ; E - неизвестное местоположение ИРИ; r, r, r, - неизвестное расстояние от постов до ИРИ, а также построения, поясняющие расчет координат ИРИ, как координат точки пересечения радикальных осей окружностей.
Для осуществления способа использована детерминистская модель со следующими допущениями:
1. Используем уравнения распространения сигналов в свободном пространстве [1].
2. Параметры и характеристики приемников радиоконтрольных постов идентичны, а их изменения, а также изменения параметров и характеристик наблюдаемых ИРИ и условий распространения сигналов на интервале измерений отсутствуют.
3. Радиоконтрольных посты (приемные антенны) и ИРИ находятся в одной плоскости (объем четырехвершинной фигуры, см. фиг.1, равен нулю, V=0), а диаграммы направленности их антенн в горизонтальной плоскости круговые.
В основу способа положен известный вывод о том, что потери в мощности сигнала при его распространении в свободном пространстве от передатчика к приемнику пропорциональны квадрату расстояния между приемником и передатчиком. На этом основании измеряют уровни сигналов Ua, Ub и Uc на входе приемников стационарных радиоконтрольных постов и по парному их отношению определяют отношение расстояний от ИРИ до соответствующих постов. Это отношение для постов A и B, а также B и C имеет вид:
c
a
a
c
ac
U/U=r/r=n
c
b
b
c
bc
U/U=r/r=n
a
b
c
Запишем квадраты расстояний r, r, r, от постов A, B, и C до наблюдаемого ИРИ через их географические координаты в виде окружностей положения:
,
,
где Ua, Ub, Uc, - уровни сигналов на входе приемников постов A, B и C.
Преобразуем квадраты радиусов через введенные отношения уровней сигналов в виде:
и
. Получили относительные квадраты расстояний - радиусов
и
, выраженные через
. Коэффициенты
и
с принятыми допущениями зависят только от взаимного расположения пунктов A, B и C и наблюдаемого ИРИ. Координаты местоположения ИРИ определяют из любых двух пар уравнений окружностей положения (1)-(3), предварительно определив квадрат неизвестного расстояния
на основании допущения 3 (V=0).
Для его определения составим и раскроем определитель Кэли-Менгера, который в соответствии с /5, 6/ и фиг.1 будет иметь вид:
.
c
Преобразуем выражение определителя с учетом введенных отношений расстояний-радиусов и получим биквадратное уравнение относительно неизвестного расстояния r
,
где
,
,
.
Решение уравнения (4) дает:
.
Координаты ИРИ определяют как координаты точки пересечения радикальных осей любых двух из трех возможных пар окружностей (1)-(3). Запишем уравнения радикальных осей всех трех пар окружностей, как разности соответствующих уравнений окружностей (1)-(2), (1)-(3) и (2)-(3):
,
,
.
Для первой, например, пары радикальных осей окружностей положения координаты ИРИ определяют из соотношений:
1
b
a
2
c
a
1
b
a
2
c
a
,
, где A=2(x-x), A=2(x-x), B=2(y-y), B=2(y-y)
,
Для повышения точности определения координат местоположения по уравнениям (1)-(3) используют статистическую обработку по нескольким массивам усредненных результатов измерений уровней сигналов. Последовательная обработка наборов усредненных на постах массивов результатов измерений уровней сигналов и получение текущих средних значений и среднеквадратических отклонений (СКО) координат местоположения ИРИ осуществляется автоматически на базовом радиоконтрольном посту. При этом сравниваются значения СКО на текущем и предыдущем шаге расчета координат. Как только на текущем шаге значение СКО превысит его предыдущее значение, статистическую обработку прекращают и фиксируют среднее значение координат и их СКО как окончательные. При количестве радиоконтрольных постов N≥3 используются все сочетания из N по 3 и полученные результаты усредняются. Способ может использоваться и при наличии одного мобильного радиоконтрольного поста. Измерения выполняются при этом не менее чем в 3-х точках с фиксацией координат точек измерения. Таким образом, предложенный способ позволяет устранить недостатки прототипа, а именно:
1. Определять координаты местоположение любых источников ИРИ, включая мобильные ИРИ или радиоэлектронные средства связи производственно-технологического назначения с симплексным кратковременным режимом работы, лишь тремя радиоконтрольными постами.
2. Исключить сингулярность линий положения (окружностей Аполлония), заменяя их окружностями, описывающими распространение радиоволн в свободном пространстве, повышая тем самым точность определения координат.
Все это указывает на наличие новизны предложенного способа. Кроме того, 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. Патент RU №2430385, опубл. 27.09.2011 г.
5. Кулаков Ю.И. Теория физических структур. М., 2004 г., 954 с.
6. Владимиров Ю.С. Пространство-время: явные и скрытые размерности. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010, 208 с.