РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ НА БАЗЕ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM С МОДУЛЕМ ДИСПЕРСИОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ КАНАЛА ОБНАРУЖЕНИЯ "НА ПРОСВЕТ"

Предлагаемая полезная модель относится к разнесенной радиолокации и может быть использована для обнаружения и измерения координат целей в воздушном и приземном пространстве в поле подсвета базовых станций сотовой связи стандарта GSM. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение вероятности обнаружения малозаметных малоскоростных целей, находящихся в поле подсвета базовых станций (БС) сотовой связи, методом обнаружения «на просвет» [1].
Известна подвижная система обнаружения объекта и способ использования сигналов, передаваемых мобильной телефонной станцией (патент США №6930638 В2, 1.08.2001, G01S 3/00; G0S 13/46; G0S 13/58; G0S 13/92; H04Q 7/34; G0S 3/46) содержащая приемник, имеющий первую и вторую антенны, и средство обработки, причем первая (опорная) антенна выполнена с возможностью приема прямого сигнала, базовой станции мобильной телефонной связи; а вторая (целевая) антенна выполнена с возможностью приема сигнала базовой станции, отраженного от объекта. Средство обработки сравнивает сигнал, принимаемый от базовой станции с сигналом, отраженным от объекта и определяет скорость и положение объекта. Система состоит из множества базовых станций мобильной телефонной связи, которые передают сигнал. Недостаток системы - отсутствие средств компенсации проникающего по боковым лепесткам целевой антенны прямого сигнала базовой станции, что приводит к появлению ложных отметок.
Известна бистатическая радиолокационная станция с обнаружением «на просвет» (Евразийский патент №007143, 2004.12.23 G01S 13/06, G01S 7/42), содержащая передающую позицию, излучающую квазигармонический сигнал, приемную позицию и рабочее место оператора. Причем приемная позиция состоит из последовательно соединенных приемной антенны с многолучевой диаграммой направленности, обращенной в сторону передающей позиции и N приемных каналов (по числу лучей диаграммы направленности приемной антенны), блока измерения пеленга, блока формирования траектории и распознавания классов воздушных целей. Каждый из N приемных каналов состоит из последовательно соединенных приемника, устройства режекции прямого сигнала передатчика и пассивных помех и блока измерения частоты Доплера. Недостаток бистатического радиолокатора состоит в формировании узкополосного специализированного квазигармонического сигнала, а также узкой пространственной зоны просветного обнаружения, формируемого одним передатчиком. Поэтому для создания широкого поля обнаружения « на просвет» необходимо развертывание большого количества передающих позиций. Применение известного аналога для локации целей в поле подсвета иных, например связных и широковещательных, источников подсвета безрезультатно. Так, структура сигнала стандарта GSM не является квазигармонической, и содержит дискретные битовые, слотовые и кадровые составляющие [6]. Дискретная структура сигнала не позволит реализовать техническое решение приведенное в аналоге в секторах выходящих за пределы просветной зоны, а также за пределами зоны наложения минимального битового дискрета прямого и отраженного сигналов GSM [7].
Наиболее близким техническим решением к предполагаемой полезной модели, выбираемым в качестве прототипа, является радиолокационная станция на базе сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет» (Патент на полезную модель №154714, G01S 13/06), содержащая опорный, целевой каналы, подключенные к соответствующим входам М-канального матричного коррелятора последовательно соединенные с ним оконечное устройство, служащее для определения отображения координат цели, и модем GPRS, предназначенный для передачи информации удаленным потребителям, а также канал обнаружения «на просвет», предназначенный для обнаружения цели поле подсвета базовой станции сотовой связи стандарта GSM
Недостатком канала обнаружения «на просвет» вышеназванной радиолокационной станции является высокий уровень неподавленных остатков нестационарного прямого сигнала, проникающего по боковым лепесткам диаграммы антенны передатчика базовой станции GSM, что приводит к увеличению вероятности ложных тревог и обусловливает необходимость увеличения порога обнаружения.
Описанные в прототипе средства и методы снижения влияния проникающего сигнала в канале обнаружения « на просвет» на практике не обеспечивают требуемый постоянный уровень компенсации проникающего сигнала, и не позволяют реализовать достаточного для достоверного обнаружения малоразмерных целей, уровня вероятности ложных тревог. Причиной этого является неидентичность опорного и просветного каналов, случайный характер изменения амплитуды сигнала подсвета. Это обстоятельство заставляет поднимать порог обнаружения. Теоретическое обоснование «просветного» эффекта в радиолокации приведено в [2-4], в соответствии с которым явление резкого возрастания эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) воздушных объектов при рассеянии вперед наблюдается для объектов, размеры которых существенно превышают длину волны λ, расположенных вблизи линии радиосвязи передатчик-приемник. При этом на величину просветной ЭПР не влияют меры противорадиолокационной маскировки объектов [5]. В соответствии с полученными в [1] экспериментальными данными, ширина «просветного» сектора локации, в пределах которого эффективная поверхность рассеяния скачком возрастает на 20-30 дБ, не превышает ±5 град. Однако, уровень проникающей по боковым лепесткам помехи достигает 40-60 дБ, что в совокупности с коэффициентом подавления проникающего сигнала и коэффициентом корреляционного накопления в фильтре нижних частот не обеспечивает устойчивого обнаружения малоразмерных целей во всем диапазоне дальности просветного обнаружения.
Таким образом, целью заявляемой полезной модели является снижение вероятности ложных тревог обнаружения малозаметных целей на фоне неподавленных в канале обнаружения «на просвет» остатков проникающего по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны проникающего сигнала.
Указанная цель достигается тем, что в радиолокационную станцию на базе сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет», содержащую каналы целевой, опорный и обнаружения «на просвет», последовательно соединенные M-канальный матричный коррелятор, оконечное устройство и модем GPRS, причем в целевом канале последовательно соединены обзорная антенна с устройством управления, супергетеродинный приемник, усилитель промежуточной частоты с логарифмической характеристикой усиления (УПЧЛ) на частоте усиления, в опорном канале последовательно соединены неподвижная и ориентированная на базовую станцию антенна, супергетеродинный приемник и УПЧЛ на частоте усиления, при этом М первых объединенных входов M-канального матричного коррелятора параллельно подключены к выходу УПЧЛ целевого канала, а М вторых входов M-канального матричного коррелятора подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала, в канале обнаружения целей «на просвет» последовательно соединены ненаправленная приемная антенна, супергетеродинный приемник, первый смеситель два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику, первый фильтр грубой селекции (ФГС), регулируемый усилитель, вычитающее устройство, фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого подключен ко второму входу оконечного устройства, а также последовательно соединенные второй смеситель, и второй фильтр грубой селекции, причем два входа второго смесителя подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала, выход второго фильтра грубой селекции подключен ко второму входу вычитающего устройства, дополнительно введен модуль дисперсионной обработки, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и вычислительного устройства, причем входом модуля дисперсионной обработки является вход АЦП, параллельно подключенный к выходу фильтра нижних частот, а выходом модуля дисперсионной обработки является выход вычислительного устройства, подключенный к третьему входу оконечного устройства.
Приведенная совокупность признаков отсутствует в исследованной патентной и научно-технической литературе по данному вопросу, следовательно предложенные технические решения соответствуют критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-6.
Фиг. 1 - блок-схема заявляемой РЛС.
Фиг. 2 - схема поясняющая принцип работы заявляемой РЛС.
Фиг. 3 - экспериментальные спектры автосвертки сигнала стандарта GSM.
Фиг. 4 - изображения экранов визуализатора с экспериментально полученным спектрограмм и эпюрой работы модуля дисперсионной обработки просветного канала обнаружения.
Аппаратура радиолокационной станции по фиг. 1 состоит из каналов целевого 1, опорного каналов 2, последовательно соединенных M-канального матричного коррелятора 3, оконечного устройства 4 и модема GPRS 5, причем в целевом канале последовательно соединены обзорная антенна с устройством управления 6, супергетеродинный приемник 7, усилитель промежуточной частоты с логарифмической характеристикой усиления (УПЧЛ) на частоте усиления 8, в опорном канале последовательно соединены неподвижная и ориентированная на базовую станцию антенна 10, супергетеродинный приемник 11 и УПЧЛ на частоте усиления 12, при этом М первых объединенных входов 14 M-канального матричного коррелятора 3 параллельно подключены к выходу УПЧЛ целевого канала 9, а М вторых входов 15 M-канального матричного коррелятора 3 подключены параллельно к выходу УПЧЛ опорного канала 12, канал обнаружения целей 16 «на просвет», состоящий из последовательно соединенных ненаправленной приемной антенны 17, супергетеродинного приемника 18, первого смесителя 19 два входа которого подключены к супергетеродинному приемнику 18, первого фильтра грубой селекции (ФГС) 20, регулируемого усилителя 21, вычитающего устройства 22, фильтра нижних частот (ФНЧ) 23, а также из последовательно соединенных второго смесителя 24, и второго фильтра грубой селекции 25, причем два входа второго смесителя 24 подключены к выходу супергетеродинного приемника опорного канала 11, выход второго фильтра грубой селекции 25 подключен ко второму входу вычитающего устройства 22, выход фильтра нижних частот 23 параллельно подключен ко второму входу оконечного устройства 4 и ко входу модуля дисперсионной обработки 26, состоящего из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 27 и вычислительного устройства (ВУ) 28, причем входом модуля дисперсионной обработки является вход АЦП, причем выход модуля дисперсионной обработки является выходом ВУ, и подключен к третьему входу оконечного устройства 4.
ОК
ПК
ПК
ОК
пч
к
с
Заявляемая радиолокационная станция со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM с каналом обнаружения «на просвет» работает следующим образом (фиг. 2). Произвольная j-базовая станция 29 сети сотовой связи стандарта GSM формирует ненаправленное или слабонаправленное (в зависимости от типа антенны БС) поле излучения 30. Радиолокационная станция 31 формирует : с помощью обзорной антенны 6 целевого канала 1, сканирующую в поле излучения 30, направленную диаграмму направленности 32, с помощью антенны 10 опорного канала 2 остронаправленную и ориентированную на базовую станцию 29 диаграмму направленности 33, с помощью антенны 17 канала обнаружения «на просвет» 16 компенсационную диаграмму слабой направленности 34. Диаграмма направленности антенны опорного канала 33 с коэффициентом усиления G формируется вдоль линии базы между базовой станцией 29 и радиолокационной станцией. Диаграмма направленности антенны канала обнаружения « на просвет» 17 имеет коэффициент усиления G, такой, что С<<G. В поле излучения БС могут оказаться воздушные объекты - радиолокационные цели 35. Цели, находящиеся в любой точке сканирования антенны 6 целевого канала 1 обнаруживаются M-канальным матричным коррелятором, а их координаты определяются и отображаются в оконечном устройстве 4 в соответствии с описанием приведенным в прототипе [8]. При этом прямые сигналы базовой станции, принятые антеннами 10 и 17, поступают на вход супергетеродинных приемников 11 и 18, где усиливаются и преобразуются на промежуточную частоту ω. Далее прямые сигналы базовой станции с выхода супергетеродинного приемника 11 поступают на входы второго смесителя 24, а с выхода супергетеродинного приемника 18 - на входы первого смесителя 19. В смесителях формируется сигнал автосвертки прямого сигнала (фиг. 3). В основе иерархического разделения структуры кадров стандарта GSM находится кадр TDMA, длительностью τ=4615 мкс состоящий из 8 слотов длительностью τ=577 мкс каждый. Периодическая структура временных интервалов сигнала стандарта GSM приводит к тому, что спектр сигнала автосвертки сигнала GSM сигнала будет линейчатым и иметь наряду с центральной гармоникой ряд периодически следующих гармоник на частотах кратных  и . Экспериментально полученные гармоники спектра сигнала автосвертки GSM приведенные на фиг. 3 а и б. Амплитуды напряжений автосверток отличаются на величину отношения коэффициентов усиления диаграмм направленности антенн:
АК
АК
Компенсация гамонических составляющих, кратных 216.6 Гц, осуществляется в зонах режекции первого 20 и второго 25 ФГС. Поскольку сигнал автосвертки прямого сигнала БС является мешающим, то для его компенсации в вычитающем устройстве необходимо увеличить амплитуду сигнала компенсирующей автосвертки на величину К в регулируемом усилителе 21. С выхода первого ФГС 20 сигнал компенсирующей автосвертки поступает на вход регулируемого усилителя 21 с коэффициентом усиления К. С выхода регулируемого усилителя 21 сигнал поступает на первый вход вычитающего устройства 22. На второй вход вычитающего устройства 22 поступает сигнал автосвертки с выхода второго ФГС 25. В вычитающем устройстве происходит компенсация прямого сигнала на видеочастоте. С выхода вычитающего устройства 22 результат вычитания сигналов автосверток поступает на вход фильтра нижних частот 23.
При появлении цели 35 в узкой просветной зоне 33 антенны опорного канала 10 происходит резкое увеличение амплитуды отраженного сигнала за счет увеличения теневой эффективной поверхности рассеяния цели. После усиления и преобразования в супергетеродинном приемнике 11, сигнал поступает на входы второго смесителя 24. На выходе второго смесителя 24 формируются низкочастотные биения, образованные результатом перемножения отраженного сигнала самого на себя, что равносильно возведению в квадрат и демодуляции перемножаемых сигналов. При этом в слабонаправленной антенне 17 канала обнаружения «на просвет» 16 сигнал, отраженный от малозаметной цели, не приводит к изменению суммарной амплитуды. Это объясняется проявлением просветного эффекта только в узкой пространственной зоне [5]. Поэтому после компенсации в вычитающем устройстве 22 в фильтре нижних частот будет выделяться результат биений с подавленным сигналом автосвертки. Работа канала обнаружения «на просвет» описана в прототипе и авторы не претендуют на его новизну.
Ввиду нестабильности автосвертки сигнала GSM, реализуемый каналом обнаружения «на просвет» коэффициент подавления прямого сигнала нестабилен и меняется в диапазоне от 15 до 25 дБ. С учетом достигаемого коэффициента корреляционного накопления в фильтре нижних частот 20 дБ, выигрыш в отношении отраженный/прямой сигнал на выходе ФНЧ 23 составит 35-45 дБ. Однако, при существующем отношении амплитуд прямого (мешающего) и отраженного сигналов на входе канала обнаружения «на просвет» равным 40-60 дБ, на выходе канала наблюдаются ложные отметки. Это заставляет поднимать порог обнаружения, либо обеспечивать его стабилизацию. И в том и в другом случаях возникает риск необнаружения слабого сигнала. Для обеспечения одновременного снижения и стабилизации порога обнаружения необходимо дополнительно наращивать компенсацию мешающего нестационарного прямого сигнала еще на 15 дБ. При технически достижимой (с позиции критерия «эффективность-стоимость») идентичности опорного канала и канала обнаружения « на просвет» это весьма проблематично. Для обеспечения возможности обнаружения непрерывного слабого отраженного сигнала на фоне мощной подсвечивающей нестационарного проникающего сигнала GSM, целесообразно применить метод дисперсионной обработки [9] выходного сигнала ФНЧ. В соответствии с этим методом обработки, в силу линейности математического ожидания, обнаружение цели осуществляется по максимуму отношения отраженный сигнал/прямой сигнал, описываемого уравнением дисперсии случайной величины X по формуле:
где М - символ математического ожидания.
Поскольку сигнал GSM описывается по закону случайной функции с нормальным распределением и нулевым математическим ожиданием, то величина частотных биений отраженного сигнала на выходе ФНЧ, модулирующих прямой сигнал и регистрируемых отклонением дисперсии, может иметь весьма незначительную величину. Это позволит уменьшить порог обнаружения и стабилизировать вероятность ложной тревоги. При этом в соответствии с (2) для получения математического ожидания квадрата случайной величины сигнала, формируемого на выходе смесителя 24 в результате автосвертки, необходимо усреднение на задаваемом окне временном интервале. В свою очередь, временное усреднение приводит к сглаживанию случайных составляющих присутствующих во всем временном окне, и выделению коротких биений от цели.
Алгоритм дисперсионной обработки выходных сигналов ФНЧ модулированных отраженным сигналом имеет вид [10]:
где
i
S - выборки и сигнала на выходе АЦП.
m - количество выборок сигнала, по которым производится усреднение.
m=FnΔT - число суммируемых выборок сигнала;
Fn - частота дискретизации;
ΔT - интервал наблюдения.
Для реализации алгоритма (3) смесь сигналов с выхода ФНЧ 23 поступает на вход АЦП 27 модуля дисперсионной обработки, где осуществляется дискретизация и квантование сигнала. Шаг дискретизации Δt низкочастотного сигнала ФНЧ выбирается в соответствии с теоремой Котельникова:
i
где Δƒ - ширина спектра биений. Поскольку ширина спектра биений лежит в диапазоне до 100 Гц, то шаг дискретизации может быть весьма незначителен и лежать в диапазоне 0.05-0.033 с. АЦП с таким шагом дискретизации весьма доступны, (например 9008ВГ1Я производимый ГУП НПЦ «ЭЛВИС»). С выхода АЦП оцифрованные выборки S поступают на вход вычислительного устройства 28, в котором реализуется дисперсионная обработка в соответствии с алгоритмом (3). В качестве ВУ могут применяться доступные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), (например 5576ХС1, производимые ОАО "КТЦ "ЭЛЕКТРОНИКА"). С выхода вычислительного устройства 28 сигнал поступает на оконечное устройство 4. На фиг. 4 представлен экран визуализатора канала обнаружения « на просвет» в частотной 36 и временной 37 области. АЧХ ФНЧ охватывает полосу от 4 до 105 Гц. В момент обнаружения сигнала наблюдаются биения АЧС на частотах кратных 17 Гц. При этом установка порога по амплитуде АЧС затруднена в следствии широких и быстрых флуктуаций автосвертки мешающего прямого сигнала. Диапазон изменений амплитуд усредненных значений отличается меньшими флюктуациями во временной области и по амплитуде. В момент обнаружения цели на экране визуализатора (37) оконечного устройства наблюдается превышение сигналом порога обнаружения. Уровень порога обнаружения модуля дисперсионной обработки всего на 1.7 дБ выше максимального значения рассчитанного уровня дисперсии проникающего сигнала.
Работа оконечного устройства приведена в прототипе [8] и авторы не претендуют на его новизну.