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

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных радиотехнических системах с подвижными пунктами приема устанавливаемыми, например, на летательных аппаратах.
Известен (Патент РФ №2285937, 2006, G01S 13/00; G01S 5/00) способ определения координат источника радиоизлучения, включающий прием радиоизлучения источника не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема с известными собственными координатами с последующей передачей принятых радиосигналов на центральный пункт, где их преобразуют в нормированный пространственный спектр, по максимуму которого определяют координаты источника. Для преобразования радиосигналов в нормированный пространственный спектр рассчитывают взаимное запаздывание моментов прихода электромагнитных волн в пункты приема из мест возможного положения источника, измеряют энергию принятых радиосигналов, определяют произведения энергии различных пар радиосигналов и квадраты модулей комплексных взаимных корреляционных функций в точках расчетного запаздывания, после чего значения квадратов модулей усредняют по совокупности пар радиосигналов, находят отношение усредненных квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций к соответствующим усредненным попарным произведениям энергии радиосигналов.
В способе используется информация только о задержках (запаздывании) сигналов, он может быть отнесен к классу разностно-дальномерных способов с одноэтапной обработкой.
Данному способу присущи следующие недостатки. Существенное ограничение области применимости способа - неприменимость его для гармонических (узкополосных) излучений из-за многомодальности пространственного спектра таких сигналов и, соответственно, неоднозначности определения его максимума. Кроме того, область применения способа ограничена условием неподвижности пунктов приема (неизменности их координат). В случае движения возникает доплеровский сдвиг частоты, потенциальные точности определения координат не реализуются, более того, неизвестный сдвиг частоты выступает дестабилизирующим фактором, а его не учет приводит к возникновению дополнительных погрешностей определения координат.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является разностно-дальномерно-доплеровский способ определения местоположения источника радиоизлучения с двухэтапной обработкой (Кондратьев B.C. и др. Многопозиционные радиотехнические системы / В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков; Под ред. проф. В.В. Цветаева. - М.: Радио и связь, 1986, с.246-247, 251, 178-179), включающий периодический прием радиоизлучения источника одновременно не менее чем в двух пространственно разнесенных подвижных пунктах приема, синхронно с этим измерение собственных координат и параметров вектора скорости движения пунктов приема, с последующей передачей их и принятых радиосигналов на центральный пункт, измерение разности задержек моментов прихода электромагнитных волн в пункты приема и доплеровских сдвигов частот различных пар принятых радиосигналов, и определение местоположения источника по совокупности результатов измерений.
-7
Ему присущи следующие недостатки. Неучет отношения сигнал/шум в пунктах приема приводит к невозможности реализации потенциальных точностей определения координат, в ряде случаев приводя к аномальным погрешностям, например, когда отсутствует энергетическая доступность излучения источника в одном или нескольких пунктах приема. Отношение сигнал/шум в пунктах приема различается, как вследствие различий уровней сигналов, связанных с их ослаблением при распространении, так и различия в уровне шумов приема, в частности, контактных шумов двигателей летательных аппаратов, на которых размещены пункты приема. Область применения способа, вследствие неопределенности заключительной операции (определения координат источника по совокупности результатов измерений) ограничена условиями наличия не более двух подвижных точек и определения координат только одномоментно, в фиксированный момент времени. Порядок действий и операций над сигналами, объединения информации при движении на заданных или произвольных интервалах времени, когда прием и последующие операции способа выполняют периодически и многократно, не конкретизирован. Проблематично обеспечение высокоточных совместных измерений задержек и сдвигов частот, в частности последних с относительной погрешностью порядка 10 (Кондратьев B.C. и др. Многопозиционные радиотехнические системы / В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков; Под ред. проф. В.В. Цветнова. - М.: Радио и связь, 1986, 251).
Технической задачей данного изобретения является расширение области применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе определения местоположения источника радиоизлучения, включающем периодический прием радиосигналов источника одновременно не менее чем в двух пространственно разнесенных подвижных пунктах приема, синхронно с этим измерение собственных координат и параметров вектора скорости движения, с последующей передачей их и принятых радиосигналов на центральный пункт и определение местоположения источника радиоизлучения, новым является то, что, на центральном пункте в каждом из периодов приема рассчитывают доплеровские сдвиги частот и взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из мест возможного положения источника в пункты приема с учетом их измеренных собственных координат и параметров вектора скорости, измеряют энергию принятых радиосигналов, для различных пар радиосигналов определяют среднее геометрическое энергии, измеряют значения модуля комплексных взаимных корреляционных функций в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот, которые вычитают из среднего геометрического энергии, затем по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема полученные разности усредняют и по минимуму этих усредненных значений определяют местоположение источника радиоизлучения.
Решение поставленной технической задачи состоит в переходе к одноэтапной обработке принятых радиосигналов без предварительного измерения параметров, связанных с подлежащих определению координатами: задержек и доплеровских сдвигов частот, как это принято в способе-прототипе.
Ключевым моментом при этом является определение пространственного функционала (функции пространственной неопределенности) инвариантного к собственным координатам пунктов приема при произвольном их числе и имеющего экстремум (минимум) в окрестности местоположения источника, вне зависимости от параметров сигналов и шумов.
Основу такого функционала составляют измерения модуля комплексных взаимных корреляционных функций принятых радиосигналов в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот. Эти измерения, в соответствии с известными свойствами корреляционных функций, в данном случае двухмерных по времени и частоте, в точке расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот, соответствующей истинным координатам источника, то есть после компенсации истинных параметров запаздываний и доплеровских сдвигов, имеют максимум вне зависимости от параметров сигналов. В присутствии шумов и помех значение максимума не превышает среднего геометрического энергии соответствующей пары сигналов и тем больше, чем выше отношение сигнал шум, снижается при отстройке расчетных параметров от истинных значений.
Указанное свойство инвариантности позволяет определить функцию пространственной неопределенности в виде разности среднего геометрического энергии и модуля комплексных взаимных корреляционных функций и усреднять ее значения по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема, при этом автоматически учитывается отношение сигнал/шум в измерениях, что дополнительно повышает точность определения координат.
Усреднение значений функции неопределенности необходимо выполнять для каждой точки (места) возможного положения источника. Координаты этих точек должны быть неизменны в течение всего времени движения носителей пунктов приема, могут быть получены, как и в аналоге, путем квантования области возможного местонахождения источника.
Тип усреднения определяется условиями электромагнитной обстановки. В соответствии с результатами статистического синтеза, при шумах приема постоянной (но неизвестной, возможно различной) интенсивности оптимальным является нахождение среднего арифметического, когда шумы нестационарные предпочтительнее выполнять усреднение, определяя среднее геометрическое.
Предлагаемый порядок обработки принятых радиосигналов снимает проблему высокоточных совместных измерений первичных параметров: задержек и сдвигов частот, присущую способу-прототипу. В предлагаемом способе оценивается не максимум двухмерных корреляционных функций по частоте и времени, а только значения этих функций, причем в известных точках (расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот), что в свою очередь, устраняя погрешности первичных измерений, увеличивает точность определения координат.
Таким образом, переход к одноэтапной обработке принятых радиосигналов в соответствии с предложенными новыми действиями над сигналами, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: расширить область применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг.1 представлена структурная схема системы радиоконтроля для реализации заявленного способа;
на фиг.2 представлена структурная схема измерителя взаимной энергии;
на фиг.3 представлена структурная схема измерителя взаимной корреляции;
фиг.4 - маршрут движения и положение источника радиоизлучения на плоскости в декартовой системе определения координат;
фиг.5 - амплитудный спектр радиосигнала;
фиг.6 - доплеровский сдвиг частот на маршруте движения;
фиг.7 - линейная ошибка определения координат на маршруте движения.
Система радиоконтроля (фиг.1), реализующая предложенный способ, содержит N≥2 пунктов приема 1.1-1.N, каждый из которых включает последовательно соединенные приемную антенну 2 и, через первый вход, радиоприемное устройство 3, ко второму входу которого подключен первый выход навигационного прибора 4, второй выход которого соединен с первым входом аппаратуры передачи данных 5, второй вход которой соединен с выходом радиоприемного устройства 3, причем выход аппаратуры передачи данных 5 является выходом пункта приема, и центральный пункт обработки 6, содержащий, входами 1…N соединенную с выходами соответственно пунктов приема 1.1-1.N, аппаратуру приема данных 7, второй выход которой подключен к первому входу блока расчета частоты и задержки 8, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства рабочей зоны 9, а так же измеритель взаимной энергии 10, входом соединенный с первым выходом аппаратуры приема данных 7 и первым входом измерителя взаимной корреляции 11, подключенного к первому и второму выходу блока расчета частоты и задержки 8 соответственно вторым и третьим входом, а выходом, последовательно через второй вход устройства вычитания 12, блок усреднения 13, к первому входу устройства определения минимума 14, выход которого является выходом системы радиоконтроля, а второй вход соединен с выходом запоминающего устройства рабочей зоны 9, причем выход измерителя взаимной корреляции 11, подключен ко второму входу устройства вычитания 12.
При этом измеритель взаимной энергии 10 содержит последовательно соединенные измеритель энергии 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16 и, через его первый выход, устройство определения среднего геометрического 17 по первому входу, второй вход которого подключен к одноименному выходу оперативного запоминающего устройства 16, причем измеритель взаимной корреляции 11 содержит первый умножитель 18.1, вход 1 которого является первым входом измерителя взаимной корреляции 11, а второй вход соединен с выходом формирователя сигнала 19, вход которого является вторым входом измерителя взаимной корреляции 11, блок преобразования Фурье 20, вход которого подключен к выходу первого умножителя 18.1, а выход к первому входу второго умножителя 18.2, второй вход которого соединен с входом формирователя спектра 19, вход которого является третьим входом измерителя взаимной корреляции 11, соединенные последовательно оперативное запоминающее устройство 20 и, через его первый выход по одноименному входу, коррелятор 21, выход которого является выходом измерителя взаимной корреляции 11, а второй вход соединен со вторым выходом оперативного запоминающего устройства 20.
Радиоприемное устройство 3 цифрового типа, обеспечивает представление принятых радиосигналов отсчетами мгновенных значений с заданным периодом дискретизации. Длительность реализации (время приема сигнала в каждом из периодов приема) устанавливают одинаковой, целесообразно для устранения эффектов нестационарности не менее трех периодов модуляции (манипуляции) излучаемого источником радиосигнала.
Процессы аналого-цифрового преобразования радиоприемных устройств 3 всех пунктов приема синхронизуют с помощью синхросигналов навигационных приборов 4 (выход 1 навигационного прибора - вход 2 радиоприемного устройства).
По выходу 2 навигационного прибора 4 получают результаты измерения навигационных параметров: собственные координаты пункта приема и параметры вектора скорости движения в виде линейной скорости на момент приема радиосигналов и курса движения.
Прием радиосигналов выполняют с периодичностью не менее длительности реализации и исходя из ограничения пропускной способности аппаратуры передачи 5 и приема 7 данных, взаимосвязанных через радиоканал (выход аппаратуры 5 - вход 1 аппаратуры 7).
Аппаратура приема данных 7 многоканальная по числу пунктов приема 1.1-1.N. По ее 1 выходу на последующую обработку в измерители 10, 11 центрального пункта обработки 6 поступают отсчеты принятых радиосигналов, а по 2 выходу - навигационные параметры на вход 1 блока расчета частоты и задержки 8. По выходу 1 этого блока выдают расчетные значения запаздывания, а по выходу 2 - доплеровских сдвигов частот.
В вариантном исполнении возможно применение ретрансляции принятых радиосигналов с установкой на центральном пункте многоканального (по числу пунктов приема) цифрового радиоприемного устройства.
Перед началом непосредственного функционирования системы, аналогично принятому в аналоге, определяют рабочую зону, которую квантуют с шагом квантования, определяемым из условия обеспечения требуемой инструментальной точности, и заносят координаты квантов, как места возможного положения источника излучения, в запоминающее устройство рабочей зоны 9.
Принцип последующего функционирования системы радиоконтроля состоит в следующем.
В каждом из периодов приема на центральном пункте обработки 6 выполняют следующие действия.
В блоке расчета 8 по измеренным навигационным параметрам (вход 1 блока) и данным ЗУ рабочей зоны 9 (вход 2 блока 8) рассчитывают доплеровские сдвиги частот и взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из мест возможного положения источника в пункты приема с учетом их измеренных собственных координат и параметров вектора скорости.
n
n
n
n
n
w
w
Для математического описания процедуры расчета введем следующие обозначения: , V, ψ - собственные координаты, линейная скорость движения, курс носителя n-го пункта приема, n=1, 2, …, N-1 - номер пункта приема, N - общее число пунктов приема в системе. Точка над величиной здесь и далее обозначает ее комплексный характер. Собственные координаты пунктов приема представлены на плоскости , где Y, X - ордината и абсцисса пункта приема в декартовой системе координат, i - мнимая единица. Курс ψ определим как угол в радианах по часовой стрелке от оси ординат до вектора скорости (направления движения). Координаты мест возможного местоположения источника представим в виде , где x, y - абсцисса и ордината w-го кванта в декартовой системе координат, w=0,1,…,W-1 - номер кванта, W - общее число квантов.
С учетом введенных обозначений и взаимосвязи расчетных параметров с навигационными параметрами и координатами мест возможного местоположения источника, взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн и доплеровские сдвиги частот из указанных мест рассчитывают по формулам, соответственно
8
где C=3·10 м/с - скорость света, λ - длина волны излучения, arg(·) - аргумент комплексного числа заключенного в скобки (фаза комплексного вектора).
Одновременно с расчетными операциями (1), (2) в измерителях 10, 11 измеряют энергию принятых радиосигналов, определяют среднее геометрическое энергии для различных пар радиосигналов (в измерителе 10) и измеряют (в измерителе 11) значения модуля комплексных взаимных корреляционных функций различных пар радиосигналов в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот (1), (2).
Максимальное число пар радиосигналов определяется числом сочетании из количества пунктов приема по два: K=N·(N-1)/2. Однако для сокращения числа операций без значительного влияния на точность число пар может быть уменьшено до K=N-1 с реализацией принципа обработки относительно опорного пункта приема, целесообразно относительно пункта с максимальной энергией принятого радиосигнала. Далее для упрощения изложения (однако, без потери общности) рассматривается именно такой вариант с опорным первым пунктом приема.
Энергию принятых радиосигналов получают в измерителе энергии 15 фиг.2 суммированием квадратов отсчетов принятых радиосигналов
t,n
где U - отсчет радиосигнала принятого в n-м пункте приема, t=0,1,…,T-1 - номер отсчета при общем, на длительности реализации, количестве Т.
Значения энергии (3) запоминают в ОЗУ 16, после чего считывают значение энергии сигналов различных пар пунктов приема и определяют в устройстве 17 среднее геометрическое энергии каждой пары
где k=1,…,N-2 - номер пары пунктов приема.
Измерение модуля комплексных взаимных корреляционных функций выполняют для каждой точки возможного положения излучателя  путем компенсации в принятых радиосигналах расчетных параметров (1), (2) и, затем, оценки корреляции.
Для этого в измерителе взаимной корреляции 11 первоначально компенсируют доплеровский сдвиг частоты. Для чего (см. фиг.3) в формирователе сигнала 19 формируют компенсационный сигнал на расчетной (2) частоте Доплера , где Tp - длительность реализации (число отсчетов T, умноженное на период дискретизации), и в умножителе 18.1 умножают компенсационный сигнал на принятый радиосигнал. Затем переходят в частотную область представления сигналов и в блоке 20 выполняют дискретное преобразование Фурье полученного произведения сигналов
где f=0,1,…,F-1 - номер коэффициента Фурье при общем количестве F=T/2.
Наиболее эффективно преобразование (5) выполняется методом быстрого преобразования Фурье при числе отсчетов T в реализации кратном два в степени целого числа.
В формирователе спектра 19 формируют спектр компенсационного сигнала на расчетной (1) задержке , умножают в умножителе 18.2 его на результат предыдущего преобразования (5) и, завершая компенсационные преобразования, на выходе умножителя 18.2 получают и запоминают в ОЗУ 20 спектр принятого радиосигнала после компенсации расчетных (1), (2) параметров:
После чего в корреляторе 21 с применением ОЗУ 20 в порядке соответствующем процессу определения среднего геометрического энергии (4) получают значение модуля комплексной взаимной корреляционной функций различных пар радиосигналов в точке расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот
Звездочка сверху справа величины обозначает операцию ее комплексного сопряжения.
С учетом симметрии частотно-временных преобразований порядок измерения модуля комплексных взаимных корреляционных функций может быть изменен: первоначально компенсируют задержку в частотной области, затем переходят к временному представлению с компенсацией доплеровского сдвига и преобразованием (7) во временной области. Учитывая дискретный характер представления сигналов, операции компенсации расчетных параметров могут быть выполнены и непосредственно сдвигом отсчетов принятого сигнала и отсчетов спектра на расчетное число дискрет запаздывания и доплеровского сдвига. При этом, однако, предъявляются высокие требования к частоте дискретизации и разрешающей способности спектрального анализа.
Для получения совокупности значений (7) для всех W мест возможного положения излучателя считывание отсчетов принятых радиосигналов с выхода 1 аппаратуры приема данных 7 и их обработку в измерителе 11 фиг.1 выполняют многократно (W раз, для каждого из квантов w) или, для ускорения процесса обработки, распараллеливают элементы измерителя взаимной корреляции 11.
После получения полной W совокупности (7) значений модуля комплексной взаимной корреляционной функций различных пар радиосигналов и среднего геометрического энергии каждой пары (4) в устройстве вычитания 12 получают разности
которые усредняют в блоке усреднения 13 по совокупности пар радиосигналов, определяя среднее арифметическое, для шумов приема постоянной интенсивности
или определяя среднее геометрическое, в случае переменной по точкам трассы интенсивности шума
w
В совокупности величины γ представляют собой мгновенную (по результатам текущего периода приема радиосигналов) функцию пространственной неопределенности источника излучения.
По совокупности периодов приема радиосигналов в процессе движения пунктов приема при каждом очередном приеме выполняют действия, описываемые соотношениями (1)-(10).
w
w,j
Для удобства последующего изложения изменим обозначение величин γ, введя указание номера j=1,2…J периода приема, при которых они получены γ, где J - общее число периодов обзора (и измерений) за время движения приемных пунктов.
Дополнительно в блоке усреднения 13 значения функции пространственной неопределенности для каждого из мест возможного положения излучателя усредняют по совокупности всех предшествующих периодов приема, в частности для варианта (9) по правилу среднего арифметического
Таким образом, образуется текущая, за все время наблюдения функция пространственной неопределенности (11). Она представляет собой результаты усреднения разностей вида (8) по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема.
На заключительном этапе обработки в устройстве определения минимума 14 определяют местоположение источника радиоизлучения как положение минимума текущей (11) функции неопределенности:
Соответствующие этому положению минимума  координаты возможного местоположения источника, поступающие с выхода ЗУ рабочей зоны 9 по входу 2 устройства определения минимума 14, выдают на выход 2 устройства 14 определения минимума и системы радиоконтроля в целом
Эффективность изобретения выражается в расширении области применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат. Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования, для следующих условий.
Исследовалась система радиоконтроля, содержащая N=3 подвижных пункта приема, начальное положение которых на плоскости в декартовых координатах (x, y) показано на фиг.4 жирными точками, первый пункт приема - крайний слева.
Движение носителей пунктов приема выполняется по эллиптической траектории с соотношением полуосей, соответствующим золотому сечению. Кружками на фиг.4 указано местоположение первого пункта приема на маршруте движения в последовательные периоды приема с интервалом 10 с. Движение всех объектов происходит по часовой стрелке со средней скоростью 108 км/час и постоянной угловой скоростью относительно центра эллипса. Очевидно, что при этом линейная скорость движения изменяется с уменьшением в точках разворота (крайние левые и правые точки маршрута) и увеличением в последующем.
Положение источника излучения указано плюсиком. Рабочая зона системы установлена в виде круга радиусом Rs=1000 м с центром в месте размещения источника излучения. Мелкими точками отмечены результаты квантования рабочей зоны по закону спирали Архимеда, то есть с увеличением плотности точек квантования к центру рабочей зоны. Минимальный шаг квантования 2,5 м, общее число квантов W=400. Квантование рабочей зоны выполнено по формуле: .
Имитировалось излучение на несущей частоте 1 ГГц сигнала с синусоидальной частотной модуляцией частотой 2 КГц, девиацией частоты 25 КГц, случайной в различные периоды приема-измерения фазой модулирующей функции и распределением ее по равномерному закону. Ослабление уровня сигнала установлено по квадратичному закону, в зависимости от расстояния от источника до пункта приема. Длительность реализации принимаемого сигнала 2,6 мс, период дискретизации 5 мкс. Таким образом, число отсчетов сигнала на длительности реализации составляет T=512, то есть равно два в степени 9, общее число периодов приема-измерения за все время движения по маршруту составляет J=76.
К принимаемым радиосигналам примешивался аддитивный гауссовский шум постоянной и одинаковой для всех пунктов приема интенсивности из расчета обеспечения отношения сигнал/шум (амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума в полосе приема 100 КГц) равным 3 в первом пункте приема при размещении его на исходной позиции.
Амплитудный спектр G(f) принятого первым пунктом приема радиосигнала в исходной позиции показан на фиг.5, заметно наличие шума приема.
j
Изменение частоты Доплера Fd в различных периодах j приема-измерения при движении по маршруту первого пункта приема показано на фиг.6. Для принятых условий максимальное значение частоты Доплера не превышает 100 Гц, необходимое в способе-прототипе высокоточное измерение таких отклонений частоты при несущей частоте 1 ГГц, проблематично, особенно с учетом одновременного наличия запаздывания сигнала.
При определении координат источника использовались принципы обработки относительно опорного пункта приема с максимальной энергией принятого радиосигнала и со среднеарифметическим (9) усреднением функции пространственной неопределенности.
j
На фиг.7 показано изменение линейной ошибки определения координат предлагаемым способом по маршруту движения в моменты j-го приема-измерения. Линейная ошибка определяется по формуле: , где  - истинные координаты источника радиоизлучения. Ступенчатое (а не плавное) понижение погрешности Δ по мере движения по трассе (увеличения j) обусловлено квантованием рабочей зоны с не нулевым шагом.
Видно, что изначальная погрешность, превышающая 500 м, с момента j=20 (25% всей трассы) не превышает 100 м, снижаясь в последующем до 50 м j>45 и уменьшаясь практически к нулю к концу маршрута (j>70).
Моделирующая программа разработана в системе Mathcad, имеется у авторов и патентообладателя.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает определение местоположения источника радиоизлучения при произвольном числе пунктов приема и интервале времени движения с обеспечением потенциальной точности определения координат не достижимой в способе-прототипе и известных аналогах.