СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF LOCATING RADIO-FREQUENCY SOURCE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано в системах местоопределения радиоизлучающих средств ОВЧ-УВЧ диапазона, функционирующих в труднодоступной местности.
Сущность изобретения заключается в предварительной доставке в предполагаемый район нахождения источника радиоизлучения (ИРИ) множества датчиков (не менее четырех), конструктивно размещенных на беспилотных летательных аппаратах (БЛА) класса "мини" типа "мультикоптер" (Фиг.1, см., например, Е. Ерохин, А. Коломиец «Мультикоптеры: новый вид», электронный ресурс - http://www.uav.ru/articles/multicopters.pdf. (дата обращения: 12.12.12 г.)). В состав каждого БЛА-датчика входит блок навигационно-временного обеспечения, ненаправленная антенна, панорамный приемник и приемопередатчик. В качестве средства доставки и обслуживания БЛА-датчиков, а также для ретрансляции координатной информации, поступающей с них и передачи команд управления с наземного пункта управления и обработки (НПУО), используется беспилотный или пилотируемый летательный аппарат (ЛА) среднего класса (ЛА-ретранслятор). После доставки в предполагаемый район нахождения источников радиоизлучения, по командам с наземного пункта управления и обработки, БЛА-датчики распределяют в пространстве. Совокупность БЛА-датчиков и ЛА-ретранслятор формально образуют в пространстве многопозиционную систему радиоконтроля. Используется свойство мультикоптеров принимать неподвижное состояние в пространстве, позволяющее снизить фактор динамичности системы и сформировать в воздухе подобие стационарных наземных пунктов приема (один из которых центральный, расположенный на минимальном расстоянии от ЛА-ретранслятора, а остальные - периферийные) разностно-дальномерной системы (РДС) местоопределения. По сигналам блока навигационно-временного обеспечения определяются координаты в пространстве каждого БЛА-датчика и осуществляется их высокоточная привязка к собственной системе координат разностно-дальномерной системы и к единому времени, для этого информация о координатах периферийных БЛА-датчиков в сформированной РДС передается на центральный БЛА-датчик. Каждый БЛА-датчик, имеющий панорамный приемник, осуществляет поиск сигналов ИРИ в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ осуществляется его оцифровка и передача с помощью передающего устройства приемопередатчика на центральный БЛА-датчик. На центральном БЛА-датчике по поступившим данным осуществляется определение местоположения ИРИ.
Технический результат достигается тем, что БЛА-датчики на базе мультикоптеров могут быть доставлены в труднодоступный район предполагаемого функционирования ИРИ, где за счет использования свойства мультикоптеров принимать неподвижное состояние в пространстве, а также за счет их маневренности, появляется возможность формировать подобие стационарных наземных пунктов приема разностно-дальномерной системы местоопределения с оптимальным геометрическим фактором, что, в свою очередь, позволяет повысить точность определения координат ИРИ.
Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности местоопределения ИРИ, функционирующих в труднодоступной местности.
Известен способ местоопределения ИРИ, близкий по технической сущности к заявляемому изобретению (см., например, Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы - М.: «Радио и связь», 1986. - 264 с), основанный на измерении корреляционным методом временных задержек приема сигнала ИРИ, относительно одного из N≥2 пространственно разнесенных пунктов радиоконтроля. Недостатками указанного способа являются необходимость устойчивого приема пунктами радиоконтроля сигналов контролируемого ИРИ, что не всегда возможно в условиях сложного рельефа труднодоступной местности и недостаточная точность местоопределения ИРИ, связанная с большим удалением ИРИ от пунктов радиоконтроля.
Известен способ (прототип) местоопределения (см. Пат. РФ 2363011, МПК 00185/12, опубл. 27.07.2009 г.), сущность которого заключается в предварительной доставке в предполагаемый район нахождения ИРИ как минимум 3 кассет. Каждая из кассет содержит навигационный приемник и приемопередатчик. Приемопередатчик включает в себя панорамный приемник и передатчик параметров сигналов. После фиксации в грунте носителя навигационный приемник и приемопередатчик одновременно по сигналу «пуска» или автоматически приводятся в работоспособное состояние. По сигналам навигационно приемника определяют координаты мест фиксации в грунте каждого носителя. Каждый приемопередатчик, имеющий панорамный приемник, осуществляет поиск сигналов ИРИ в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ осуществляется его оцифровка и передача с помощью передающего устройства приемопередатчика через спутник-ретранслятор на пункт радиоконтроля. На пункте радиоконтроля по поступившим данным осуществляется определение местонахождения ИРИ относительно координат навигационных приемников. Данный способ позволяет обеспечить ЭМД ИРИ и повысить точность местоопределения за счет уменьшения трассы распространения радиоволн от ИРИ к пунктам радиоконтроля. Недостатками данного способа местоопределения ИРИ являются трудности в обеспечении оптимального геометрического фактора, зависящего, в частности, от точности доставки кассет в район формирования системы местоопределения, отсутствие возможности перемещения зафиксированных в грунте кассет в зависимости от изменения положения ИРИ, необходимость обеспечения электромагнитной доступности к спутнику-ретранслятору.
Для достижения технического результата изобретения предлагается в указанном способе-прототипе вместо кассет использовать множество K≥4 пространственно-разнесенных малых размеров БЛА-датчиков, каждый из которых содержит блок навигационно-временного обеспечения, ненаправленную антенну, панорамный приемник и приемопередатчик. Базой для размещения аппаратуры датчиков выбраны мультикоптеры, которые имеют ряд преимуществ перед кассетами, указанными в способе-прототипе. Основными преимуществами использования мультикоптеров являются их высокая маневренность и возможность принимать неподвижное состояние в пространстве, за счет чего появляется возможность формировать подобие стационарных наземных пунктов приема разностно-дальномерной системы местоопределения с оптимальным геометрическим фактором, что, в свою очередь, позволяет повысить точность определения координат ИРИ. Еще одним существенным отличием предлагаемого способа от способа-прототипа является то, что обработка координатной информации производится не на наземном пункте радиоконтроля, а на центральном БЛА-датчике, после чего информация о местоположении ИРИ ретранслируется через ЛА-ретранслятор на НПУО, где оператор оценивает точность местоопределения и принимает решение о дальнейшем перестроении множества БЛА-датчиков для формирования в пространстве разностно-дальномерной системы с учетом обеспечения оптимального геометрического фактора, при этом вместо спутника-ретранслятора для ретрансляции команд управления и координатной информации используется пилотируемый или беспилотный летательный аппарат среднего класса, что позволяет обеспечить бесперебойную связь с НПУО.
Заявленный способ поясняется иллюстрацией, представленной на фиг.2. На фиг.2 приняты следующие обозначения: 1 - наземный пункт управления и обработки (НПУО); 2 - пилотируемый или беспилотный летательный аппарат среднего класса (ЛА-ретранслятор), который одновременно является носителем БЛА-датчиков и ретранслятором сигналов между НПУО и центральным пунктом (БЛА-датчиком) системы; 3 - периферийные БЛА-датчики (пункты) РДС; 4 - центральный БЛА-датчик (пункт) РДС; 5 - источник радиоизлучений, местоположение которого определяется; 6 - препятствие, ограничивающее зону приема сигналов ИРИ.
Множество БЛА-датчиков доставляют в предполагаемый район нахождения ИРИ посредством беспилотного или пилотируемого летательного аппарата 2 среднего класса. Совокупность БЛА-датчиков 3, 4, по командам с НПУО 1, размещают в пространстве на границе (вокруг) предполагаемого района функционирования источника радиоизлучений 5 за препятствием, ограничивающим зону приема сигналов ИРИ 6, затем назначают центральный БЛА-датчик 4, формируя, таким образом, разностно-дальномерную систему радиоконтроля. В этом случае вся зона радиоконтроля покрывается сетью БЛА-датчиков. По сигналам блока навигационно-временного обеспечения определяются координаты в пространстве каждого БЛА-датчика и осуществляется высокоточная привязка к собственной системе координат РДС, происходит передача координатной информации о пунктах сформированной РДС на центральный БЛА-датчик. Каждый БЛА-датчик, имеющий панорамный приемник, по команде с центрального БЛА-датчика, осуществляет поиск сигналов ИРИ в заданном частотном диапазоне. При обнаружении сигнала ИРИ осуществляется его оцифровка и передача с помощью передающего устройства приемопередатчика на центральный БЛА-датчик системы радиоконтроля. На центральном БЛА-датчике, по поступившим данным осуществляется определение местоположения ИРИ. При определении местоположения источников радиоизлучений используется корреляционный метод, основанный на измерении временных задержек приема БЛА-датчиками РДС обнаруженных сигналов относительно центрального. После определения местоположения обнаруженного источника радиоизлучения, центральный БЛА-датчик РДС через ЛА-ретранслятор отправляет координаты обнаруженного ИРИ на НПУО, где оператор оценивает точность местоопределения и принимает решение о дальнейшем перестроении множества БЛА-датчиков для формирования в пространстве разностно-дальномерной системы с учетом обеспечения оптимального геометрического фактора.
Предложенный способ позволяет обеспечить прием сигналов от ИРИ, функционирующего в труднодоступной местности, а использование множества K≥4 датчиков позволяет сформировать на границе (вокруг) предполагаемого района нахождения ИРИ разностно-дальномерную систему радиоконтроля с оптимальным геометрическим фактором, обеспечивающим высокую точность местоопределения.
Таким образом, повышение точности местоопределения достигается за счет обеспечения оптимального геометрического фактора формируемой разностно-дальномерной системы радиоконтроля, а высокая маневренность БЛА-датчиков системы позволяет по команде оператора НПУО за короткие интервалы времени перестроить ее таким образом, что источник радиоизлучения попадает в рабочую зону местоопределения РДС с минимальной погрешностью местоопределения координат.
0
1
2
3
4
1
2
3
4
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>d</mi><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
Справедливость данного утверждения подтверждается следующей оценкой. Пусть задано местоположение БЛА-датчиков 1, K≥4, (фиг.3) многопозиционной разностно-дальномерной системы радиоконтроля. В предлагаемой геометрической конфигурации БЛА-датчиков расстояние от ИРИ r до центрального БЛА-датчика (пункта) 2 сопоставимо с расстоянием базы РДС, в результате чего выполняется условие функционирования системы в ближней зоне радиоконтроля
, в таком случае погрешность определения координат зависит от погрешности измерения расстояний баз разностно-дальномерной системы (см. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы - М.: «Радио и связь», 1986. - 264 с.). В предлагаемой геометрической конфигурации рабочей системы и, исходя из условия ее функционирования в ближней зоне, оптимально располагать БЛА-датчики в вершинах квадрата. Тогда вариант разностно-дальномерной системы радиоконтроля будет включать в себя K=4 БЛА-датчиков 1 из всего множества K≥4, которые будут располагаться в вершинах квадрата (фиг.2). Поскольку базы датчиков взаимно перпендикулярны (γ=γ=γ=γ=γ=90°), а их значения равны (d=d=d=d=d), то обеспечивается повышение точности местоопределения внутри квадрата (см. Белавин О.В. Основы радионавигации - М.: «Советское радио», 1977. - 320 с.).
Для определения точности местоопределения построим кривые равной точности для выбранной геометрической конфигурации РДС. Используя выражение (см., например, Семенюк С.С., Уткин В.В., Бердинских Л.Н. Геометрический фактор разностно-дальномерной сети датчиков в пространстве. Наукоемкие технологии, 2012, №8. - С.66-72)
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>z</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mi>t</mi><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
S
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>R</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>G</mi><mi>T</mi></msup><mi>G</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
где: tr(K) - след матрицы;
ковариационная матрица ошибок определения вектора координат ИРИ.
Полученные линии равной точности (в плановых координатах) с использованием выражения (1) отображены на фиг.4, откуда видно, что наибольшая точность местоопределения располагается в центре квадрата данной геометрической конфигурации РДС.
В случае, когда источник радиоизлучения располагается ближе к одной из баз системы радиоконтроля или требуется повышение точности определения его координат, то оператор дает команду на формирование (перестроение) в пространстве из множества БЛА-датчиков конфигурации системы с учетом оптимального геометрического расположения датчиков в пространстве, или назначить для формирования из множества те БЛА-датчики, которые имеют оптимальную геометрическую конфигурацию РДС, которая позволяет определять координаты ИРИ с заданной точностью.
Таким образом, предлагаемый способ местоопределения обладает рядом существенных преимуществ перед прототипом, которые позволяют повысить точность местоопределения ИРИ, функционирующих в труднодоступной местности, а использование пилотируемого или беспилотного летательного аппарата среднего класса (ЛА-ретранслятора) позволяет обеспечить бесперебойную связь с НПУО.