СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ СТАНЦИИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
METHOD FOR LOCATING SATELLITE COMMUNICATION EARTH STATION

Изобретение относится к области спутникового радиоконтроля, а именно к способам определения местоположения земных станций спутниковой связи (далее по тексту ЗС) на основе учета закономерностей в динамике уровней ретранслируемых сигналов, и может быть использовано при поиске и локализации ЗС - источников помех стволам с прямой ретрансляцией спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите.
До настоящего времени способы определения местоположения ЗС были сложны в реализации и требовали дорогостоящего оборудования.
Известен способ определения координат неизвестного передатчика системой спутниковой связи в описании изобретения к патенту 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.
Недостатком способа является сложность его реализации, так как требуется выбор пары спутников с совпадением частотно-поляризационных планов на близко расположенных орбитальных позициях.
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", отличающийся тем, что 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.
Недостатком способа является сложность и высокая стоимость его реализации, так как дополнительно требуются внешний источник данных об эфемеридах перемещения спутника в окрестностях номинальной орбитальной позиции и специальная многостанционная наземная система для устранения неоднозначности определения местоположения ЗС.
Технический результат - упрощение и снижение стоимости реализации способа.
q
q
d,n
q
2
d,n
d,n
Технический результат достигается за счет того, что способ определения местоположения земной станции спутниковой связи, заключающийся в приеме и измерении параметров ретранслируемых сигналов ЗС на станции спутникового радиоконтроля (далее по тексту СРК), обработке измерений, анализе результатов обработки и на этой основе определении местоположения ЗС, отличающийся тем, что при приеме сигналов на станции СРК в дискретные моменты времени с шагом Δt, при Δt=const, измеряют уровни ретранслируемых сигналов от одновременно работающих через спутник-ретранслятор опорных ЗС с известными географическими координатами и искомой ЗС, регистрируют результаты измерений в виде последовательностей дискретных отсчетов, равных уровням сигналов y(n), где q=1, 2, …, Q - нумерация ЗС, n=0, 1, 2, …, N - нумерация отсчетов, последовательности дискретных отсчетов y(n) записывают в текстовые файлы и представляют в виде графических зависимостей, с помощью визуального анализа этих зависимостей выявляют долговременные циклические повторения падения уровня сигналов на фоне короткоживущих высокочастотных компонентов, связывают падение уровня сигналов с их ослаблением при прохождении трасс «ЗС-спутник-ретранслятор» через области объемно распределенных гидрометеоров (далее по тексту ОРГ), при условии выявления падений уровня сигналов текстовые файлы обрабатывают на персональной электронной вычислительной машине (далее по тексту ПЭВМ) в среде MathLab программными средствами дискретного вейвлет-преобразования на основе базового вейвлета Добеши порядка 1, получают детализирующие вейвлет-коэффициенты 1, где d=1, 2, …, D - нумерация уровней декомпозиции последовательностей дискретных отсчетов y(n), при D≤logN, детализирующие вейвлет-коэффициенты 1 представляют в виде графических зависимостей от уровней d и номеров отсчетов n, по графическим зависимостям вейвлет-коэффициентов 1 в разном масштабе на уровнях d анализируют параметры циклических повторений (начало, продолжительность, количество) падения уровня каждого сигнала по отношению к другим, с помощью визуального анализа выявляют сходство этих параметров между искомой ЗС и хотя бы одной из опорных ЗС, причиной данного сходства считают прохождение трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через одну и ту же область ОРГ с ограниченным размером занимаемого пространства, в качестве условия прохождения разных трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через область ОРГ с такими характеристиками принимают территориальную близость ЗС, определяют привязкой к географическим координатам выявленной опорной ЗС район наиболее вероятного местоположения искомой ЗС, осуществляют окончательный поиск и локализацию искомой ЗС относительно выявленной опорной ЗС в радиусе горизонтальной протяженности проекции локальной однородной области ОРГ на Землю.
Упрощение определения местоположения ЗС достигается одновременно с исключением значительных финансовых и материальных затрат на развертывание и эксплуатацию дополнительных технических средств за счет формализации учета закономерностей в динамике уровней ретранслируемых сигналов, связанных с прохождением трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через области ОРГ, и последующего их анализа. Не требуется выбор пары спутников с совпадением частотно-поляризационных планов на близко расположенных орбитальных позициях, что трудно достижимо в реальных условиях.
В аналоге США №5008679 затруднены прием и обработка сигнала низкого уровня с СР2, сложен выбор пары спутников с совпадением частотно-поляризационных планов на близко расположенных орбитальных позициях, необходимы меры по устранению неоднозначности определения местоположения. Все это усложняет определение местоположения ЗС.
t
t
q
q
В отличие от аналогов в заявляемом изобретении при определении местоположения ЗС-объекта поиска антенну станции СРК наводят на спутник-ретранслятор сигналов этой ЗС. К антенно-фидерному тракту станции СРК подключают измерительный приемник для измерения среднеквадратичных значений мощности (уровней) ретранслируемых сигналов от ЗС-объекта поиска и заданных опорных ЗС, работающих одновременно с ЗС-объекта поиска через данный спутник-ретранслятор. Измерения выполняют в дискретные моменты времени с шагом Δ, при Δ=const. Результаты измерений регистрируют в виде последовательностей дискретных отсчетов, равных уровням сигналов y(n), где q=1, 2, …, Q - нумерация ЗС, n=0, 1, 2, …, N - нумерация отсчетов. Последовательности дискретных отсчетов y(n) записывают в текстовые файлы и представляют в виде графических зависимостей.
В аналогах измеряют доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала для всей трассы "ЗС - спутник-ретранслятор - приемная ЗС". 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 аналогах местоположение ЗС определяют разностно-дальномерным методом, что требует точных данных об эфемеридах спутника-ретранслятора в конечных точках пеленгационных баз. Это влечет за собой дополнительные затраты на решение целого ряда технических задач и усложняет известные способы по сравнению с заявляемым изобретением, в котором такие данные не используются.
В аналогах при реализации разностно-дальномерного метода возникает неоднозначность определения местоположения ЗС. Для устранения этого недостатка дополнительно требуется специальная многостанционная наземная опорная система. В заявляемом изобретении используют другой подход к определению местоположения ЗС и необходимость создания такой системы отсутствует.
q
q
d,n
q
2
d,n
В отличие от аналогов в заявляемом изобретении выполняют анализ закономерностей динамики уровней ретранслируемых сигналов. Для этого по графическим зависимостям y(n) выявляют долговременные циклические повторения падения уровня при прохождении трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через области ОРГ. После их выявлении текстовые файлы, содержащие записи последовательностей дискретных отсчетов y(n), обрабатывают на ПЭВМ в среде MathLab программными средствами дискретного вейвлет-преобразования на основе базового вейвлета Добеши порядка 1. Получают детализирующие вейвлет-коэффициенты 1, где d=1, 2, …, D - нумерация уровней декомпозиции последовательностей дискретных отсчетов y(n) при D ≤ logN. Детализирующие вейвлет-коэффициенты 1 представляют в виде графиков, которые показывают в различном масштабе на выделенных уровнях декомпозиции d динамические особенности сигналов - параметры циклических повторений падения уровня сигналов (начало, продолжительность, количество). С помощью визуального анализа графиков выявляют сходство этих параметров между искомой ЗС и хотя бы одной из опорных ЗС. Причиной данного сходства считают прохождение трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через одну и ту же область ОРГ с ограниченным размером занимаемого пространства. В качестве условия прохождения разных трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через область ОРГ с такими характеристиками принимают территориальную близость ЗС. Определяют привязкой к географическим координатам выявленной опорной ЗС район наиболее вероятного местоположения искомой ЗС. Далее осуществляют окончательный поиск и локализацию искомой ЗС относительно выявленной опорной ЗС в радиусе горизонтальной протяженности проекции локальной однородной области ОРГ на Землю. Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с известными способами, отличаясь от них таким существенным признаком, как учет закономерностей в динамике уровней ретранслируемых сигналов и использование для определения местоположения ЗС сходства этих закономерностей при прохождении трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через область ОРГ. Все это приводит к упрощению приемов определения местоположения ЗС.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна». Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сущность способа и возможность его реализации поясняются фигурами 1, 2, 3, где
на фиг.1 в графическом виде показаны дискретные последовательности отсчетов уровней ретранслируемых сигналов ЗС;
на фиг.2 в графическом виде показана декомпозиция дискретных последовательностей отсчетов ретранслированных сигналов ЗС по уровням d8-d12;
на фиг.3 приведена схема геометрического представления реализации способа.
Заявляемый способ заключается в следующем.
н
t
q
н
q
q
d,n
2
d,n
d,n
При определении местоположения искомой ЗС антенну станции СРК наводят на спутник, через который ретранслируются сигналы этой ЗС. К антенно-фидерному тракту станции СРК подключают измерительный приемник, с помощью которого измеряют среднеквадратичные значения мощности (уровни) ретранслируемых сигналов, работающих одновременно через спутник-ретранслятор искомой и опорных ЗС (с известными географическими координатами). Измерения выполняют в дискретные моменты времени на фиксированных частотах ретранслируемых сигналов ЗС на интервале наблюдения Т. Результаты измерений записывают в текстовые файлы и представляют в виде графических зависимостей (фиг.1), где по оси абсцисс откладывают номера отсчетов n=0, 1, 2, …, N - нумерация отсчетов, с шагом Δt, при Δt=const, Δ - интервал между отсчетами, по оси ординат откладывают значения отсчетов, равных уровням сигнала y(n), q=1, 2, …, Q - нумерация ЗС. С помощью визуального анализа зависимостей (см. фиг.1) выявляют долговременные циклические повторения падения уровня сигналов на фоне короткоживущих высокочастотных компонентов. Падение уровня сигналов связывают с их ослаблением при прохождении трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через области ОРГ. При наличии таких повторений на интервале наблюдения Т определяют детальную информацию о динамических особенностях сигналов - параметрах рассматриваемых повторений (начало, продолжительность, количество). Для ее получения используют процедуру обработки дискретных последовательностей отсчетов сигналов y(n) программными средствами дискретного вейвлет-преобразования на основе базового вейвлета Добеши порядка 1 на ПЭВМ в среде MathLab. Дискретные последовательности отсчетов сигналов y(n) декомпозируют на детализирующие вейвлет-коэффициенты 1, где d=1, 2, …, D - нумерация уровней декомпозиции различного масштаба динамики сигналов при D≤ogN. Детализирующие вейвлет-коэффициенты l представляют в виде графиков (фиг.2), где по оси абсцисс откладывают номера отсчетов n, а по оси ординат - значения детализирующих вейвлет-коэффициентов 1, которые показывают на выделенных уровнях декомпозиции d в различном масштабе динамические особенности сигналов - параметры циклических повторений падения уровня сигналов (начало, продолжительность, количество). С помощью визуального анализа графиков (см. фиг.2) выявляют сходство таких параметров между искомой ЗС и хотя бы одной из опорных ЗС. Исходя из геометрического представления способа (фиг.3), где показаны локальная однородная область ОРГ (горизонтальная протяженность 20-50 км), центральная перспективная проекция этой области на поверхность Земли (соизмерима с горизонтальной протяженностью области ОРГ) и трассы «ЗС - спутник-ретранслятор», считают, что причиной такого сходства является прохождение трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через одну и ту же область ОРГ с ограниченным размером занимаемого пространства, а условием прохождения разных трасс «ЗС - спутник-ретранслятор» через область ОРГ с такими характеристиками является территориальная близость ЗС. Определяют привязкой к географическим координатам опорной ЗС, имеющей сходство с ЗС-объектом поиска в динамике уровней ретранслируемых сигналов, район наиболее вероятного местоположения ЗС-объекта поиска. Поиск и локализацию искомого объекта осуществляют относительно выявленной опорной ЗС в пределах радиуса, соизмеримого с величиной горизонтальной протяженности проекции области ОРГ на Землю (при этом точность определения местоположения ограничивается величиной горизонтальной протяженности проекции области ОРГ на Землю, которая может составлять 20…50 км).
Способ распространяется на прием сигналов станцией СРК в условиях «ясное небо» при работе ЗС без перестройки частоты настройки и с постоянной излучаемой мощностью.
Пример осуществления заявляемого способа.
н
2
Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи осуществляется следующим образом. Антенну станции СРК наводят на спутник, через который ретранслируется сигнал ЗС-объекта поиска. Уровни ретранслируемых сигналов, одновременно работающих через спутник-ретранслятор искомой и опорных ЗС, измеряют подключаемым к антенно-фидерному тракту станции СРК измерительным приемником. В измерительном приемнике используют среднеквадратичный детектор. Для гарантированного перекрытия моментов начала и окончания времени «жизни» областей ОРГ интервал наблюдения Т выбирают порядка 24 час. При этом используют реализации сигналов длительностью N=4096 отсчетов, декомпозицию проводят на D=12 уровней разложения при D≤logN. Дискретные последовательности отсчетов записывают в текстовые файлы. При выявлении долговременных циклических повторений падения уровня (см. фиг.1) текстовые файлы сигналов обрабатывают на ПЭВМ в среде MathLab программными средствами дискретного вейвлет-преобразования на основе базового вейвлета Добеши порядка 1. Результаты обработки выводят в виде графиков, детализирующих вейвлет-коэффициентов (см. фиг.2), которые показывают детали динамики сигналов ЗС на выбранных уровнях декомпозиции (d8 - наиболее близкое приближение к исходным сигналам, a d12 - максимально далекое). По графикам (см. фиг.2) с помощью визуального анализа определяют особенности каждого сигнала (начало, продолжительность, количество повторений падения уровня) по отношению к другим и устанавливают, что опорная ЗС2 имеет сходство с объектом поиска ЗС1. Определяют привязкой к географическим координатам опорной ЗС2 район наиболее вероятного местоположения искомой ЗС1. Поиск и локализацию ЗС1 осуществляют относительно выявленной опорной ЗС2 в радиусе до 50 км, соизмеримом с наиболее вероятной горизонтальной протяженностью проекции однородной локальной области ОРГ на Землю.
Технико-экономических эффект.
Использование заявляемого способа с 2009 г. при эксплуатации стационарной СРК отдела радиоконтроля спутниковых служб радиосвязи филиала ФГУП "РЧЦ ЦФО" в Воронежской области экспериментально подтвердило возможность поиска и локализации ЗС с точностью до 50 км на основе формализации и анализа закономерностей динамики уровней ретранслируемых сигналов. Применение способа позволяет упростить определение местоположения земной станции спутниковой связи при устранении расходов на развертывание и эксплуатацию дополнительных технических средств.