РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
RANGE-DIFFERENCE METHOD FOR DETERMINING THE COORDINATES OF A RADIO EMISSION SOURCE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения объектов по их радиоизлучениям, в том числе источников непрерывных сигналов неизвестной формы.
Известен способ определения местоположения передатчика, включающий прием и ретрансляцию со сдвигом частоты сигнала передатчика не менее чем в трех периферийных пунктах, прием на центральном пункте ретранслированных сигналов с преобразованием их на единую промежуточную частоту, измерение задержек между принятыми ретранслированными сигналами и расчет координат передатчика по измеренным задержкам с учетом известного местоположения периферийных и центрального пунктов. [1. Патент РФ №2013785, 1994, G01S 13/00].
Преобразованием на единую промежуточную частоту устраняется частотный сдвиг между ретранслированными сигналами и тогда для измерения задержки может быть использован взаимно корреляционный метод [2. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, с. 319]. При этом не требуется знать форму и момент излучения принимаемых сигналов. Расчет координат может выполняться методом наименьших квадратов по минимуму суммы квадратов измеренных и расчетных задержек, однако при этом не учитывается коррелированность задержек, а также неравноточность измерений по причине различий в уровнях принимаемых сигналов, что снижает точность определения координат.[3. Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений: Монография. - Воронеж: Издательство «Цифровая полиграфия», 2019, с. 351-355)].
Наряду с недостатком низкой точности, вплоть до возникновения аномальных погрешностей, когда хотя бы в одном пункте сигнал объекта сильно ослаблен, например вследствие затенения при распространении радиоволн, другим недостатком способа является необходимость привлечения значительного частотного ресурса для обеспечения ретрансляции по широкополосным каналам радиосвязи с полосой соответствующей ширине спектра сигнала передатчика. Количество необходимых частот ретрансляции равно числу пунктов приема.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является разностно-дальномерный способ пассивной радиолокации, включающий прием сигнала объекта не менее чем в трех пространственно-разнесенных пунктах, ретрансляцию принятых сигналов со сдвигом частоты в периферийных пунктах, на центральном пункте дополнительный прием ретранслированных сигналов, измерение задержек между принятыми сигналами и расчет координат объекта по измеренным задержкам с учетом известного местоположения пунктов, при этом прием сигналов выполняют с преобразованием на единую промежуточную частоту. [4. Патент РФ №2285937, 2006, G01S 13/ 00; G01S 5/00].
Совмещение операций приема и обработки на центральном пункте позволило снизить потребное количество частот ретрансляции на одну, тем не менее, недостатки привлечения значительного частотного ресурса и низкой точности определения координат сохраняются.
Технической задачей данного изобретения является сокращение необходимого для реализации способа частотного ресурса при повышении точности определения координат.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном разностно-дальномерном способе определения координат источника радиоизлучения, включающем прием сигнала объекта не менее чем в трех пространственно-разнесенных пунктах, ретрансляцию принятого сигнала со сдвигом частоты, измерение задержки между принятыми сигналами, расчет координат объекта по измеренным задержкам с учетом известного местоположения пунктов, при этом прием сигналов выполняют с преобразованием на единую промежуточную частоту, новым является то, что, дополнительно во всех пунктах измеряют мощность принятого радиосигнала объекта, ретрансляцию осуществляют из одного пункта приема-ретрансляции, принимают ретранслированный радиосигнал и измеряют задержку между принятыми радиосигналами во всех других пунктах приема, результаты измерений задержки и мощности передают в один из пунктов приема, где координаты объекта рассчитывают дополнительно с учетом измеренных мощностей и коррелированности измеренных задержек.
Поставленная задача решается также за счет того, что координаты объекта рассчитывают, как положение минимума функции неопределенности в области возможного положения объекта, для чего рассчитывают задержки распространения радиоволн от объекта в пункты приема непосредственно и через пункт ретрансляции, определяют разности измеренных и расчетных задержек, а функцию неопределенности определяют в виде разности суммы взвешенных пропорционально измеренной мощности квадратов разностей измеренных и расчетных задержек и квадрата суммы взвешенных разностей, нормированного на сумму всех измеренных мощностей.
В настоящем изобретении предлагается сформировать единый опорный ретранслированный из одного пункта ретрансляции радиосигнал с его приемом на всех других пунктах приема одновременно с сигналом объекта и рассредоточением по этим пунктам операций измерения задержки между ретранслированным сигналом и сигналом объекта. Дополнительно во всех пунктах приема и в пункте ретрансляции измеряют мощность принятого радиосигнала объекта. Далее осуществляется передача и сбор результатов измерений на одном из пунктов приема с завершающим расчетом координат. Для передачи результатов измерений необходимы каналы связи, но они узкополосные, могут быть и проводные, что обеспечивает сокращение потребного частотного ресурса, сведя его к одному широкополосному каналу ретрансляции.
Применение единого опорного ретранслированного сигнала приводит к корреляции измеренных задержек, а различие в уровне принимаемых сигналов к неравоточности их измерений. Учет этих факторов достигается измерением мощности принятого радиосигнала объекта, с последующей весовой обработкой, поскольку погрешности измерения задержки обратно пропорциональны мощности, а также формированием в функции неопределенности нормированного квадрата суммы взвешенных разностей. В отсутствии этого компонента и весовой обработки расчет координат приводит к методу наименьших квадратов, по минимуму суммы квадратов разностей измеренных и расчетных задержек.
Предлагаемый вариант выполнения операции расчета координат основывается на результатах статистического синтеза, преобразованием формулы (4.33) работы [3], стр. 353.
Учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: обеспечить сокращение необходимого для реализации способа частотного ресурса при повышении точности определения координат.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг.1 показан пример взаимного положения элементов системы определения координат в четырех пространственно-разнесенных пунктах.
Сплошными линиями со стрелками указаны пути распространения радиосигнала от объекта, штриховыми - от ретранслятора, пунктиром - узкополосные каналы передачи информации об измеренных задержках и мощностях.
На фиг.2 приведена структурная схема пункта приема-ретрансляции.
На фиг.3, 4 - структурные схемы пункта приема-обработки и центрального пункта приема-обработки.
На фиг.5 - поле засечек координат системой сотового типа.
Система определения координат фиг.1 включает пункты приема-обработки 1, 2, пункт приема-ретрансляции 3 и центральный пункт приема-обработки 4. Пункты приема-обработки 1, 2 и пункт приема-ретрансляции 3 соединены узкополосными каналами связи с центральным пунктом приема-обработки 4.
Пункт приема-ретрансляции фиг.2 включает последовательно соединенные приемную антенну 5, радиоприемное устройство 6, преобразователь частоты 7, усилитель мощности 8 и передающую антенну 9, а также измеритель мощности 10, подключенный входом к выходу радиоприемного устройства 6, а выходом к входу аппаратуры передачи данных 11.
В состав каждого из пунктов приема-обработки фиг.3 входит приемно-измерительный блок 12, содержащий антенну 13, радиоприемные устройства 14, 15, измеритель задержки 16 и измеритель мощности 17, а также аппаратура передачи данных 18. Антенна 13 подключена к входам радиоприемных устройства 14, 15 и через входы измерителя задержки 16 и его выход к первому входу аппаратуры передачи данных 18, второй вход которой через измеритель мощности 17 соединен с выходом радиоприемного устройства 15.
В состав центрального пункта приема-обработки фиг.4 входит приемно-измерительный блок 19, аппаратура передачи данных 20, 21, 22 и вычислитель координат 23, к входам которого подключен выход приемно-измерительного блока 19 и выходы аппаратуры передачи данных 20, 21, 22. Выход вычислителя координат 23 является выходом центрального пункта приема-обработки и системы определения координат.
Элементы системы являются типовыми и могут быть выполнены согласно упомянутым способам, аналогу и прототипу.
В пункте приема-ретрансляции фиг.3 осуществляют прием сигнала с помощью приемной антенны 5 и радиоприемного устройства 6 и ретрансляцию принятого сигнала объекта со сдвигом частоты посредством преобразования частоты в блоке 7, усиления в блоке 8 и излучения ретранслированного сигнала передающей антенной 9. Дополнительно измеряют мощность принятого радиосигнала с помощью измерителя 10, результаты измерения поступают на аппаратуру передачи данных 11 и передаются в центральный пункт приема обработки на аппаратуру передачи данных 20. Мощность ретранслированного сигнала устанавливают из условия обеспечения приема его в. других пунктах системы с существенным превышением мощности шума приема.
Радиоприемные устройства 14, 15 приемно-измерительного блока 12 идентичны, различаются частотами настройки, выполняют прием с преобразованием на единую промежуточную частоту ретранслированного сигнала и сигнала объекта. По результатам приема измеряют задержку в измерителе задержки 16, а также мощность принятого сигнала объекта радиоприемным устройством 15 в измерителе мощности 17. Измеренные значения (задержки и мощности) поступают в аппаратуру передачи данных 18 и далее в центральный пункт приема-обработки на аппаратуру передачи 21 с пункта приема-обработки 1 и на аппаратуру передачи 22 с пункта приема-обработки 2. В центральном пункте приема-обработки измеренные значения и измерения приемно-измерительного блока 19 поступают в вычислитель координат, где обработка завершается.
Принцип последующего функционирования системы состоит в следующем. Излучение объекта принимают во всех, 1-4, фиг.1, пунктах системы. Принятый в пункте ретрансляции 3 сигнал ретранслируют со сдвигом частоты и одновременно с сигналом объекта принимают в пунктах приема обработки 1,2, 4 с преобразованием на одну промежуточную частоту. В каждом из этих пунктов измеряют задержку между ретранслированным сигналом и сигналом объекта и мощность принятого сигнала. В пункте ретрансляции 3 измеряют мощность принятого сигнала. Результаты всех измерений передают из пунктов приема-обработки 1, 2 и пункта ретрансляции 3 по узкополосным каналам связи на центральный пункт приема-обработки 4, где по результатам этих измерений и измерений, выполняемых на центральном пункте приема-обработки в приемно-измерительном блоке 19, рассчитывают координаты источника радиоизлучения. Расчет выполняют с учетом известного местоположения пунктов системы, измеренных мощностей и коррелированности измеренных задержек.
n
n
Конкретизируем выполнение операции расчета координат, исходным при этом является определение расчетных задержек, которые определяются взаимным положением объекта и пунктов системы. Обозначим координаты объекта и известные координаты пунктов системы в декартовой системе на плоскости, как (х, у) и (X, Y). Тогда расчетные задержки, равны
m
m
m
где m = l,…,N - 1 - номер пункта, в котором измеряют задержку, Δr(х, у) = ρ - r(х, у) - разность расстояний, проходимых радиосигналом объекта через ретранслятор и по прямой линии, соединяющей объект и пункт приема,  - расстояние от объекта до n-го пункта системы,  - расстояние от объекта через пункт ретрансляции до m-го пункта системы, с - скорость света.
Затем определяют разность измеренных  и расчетных задержек
и, для всей области возможного положения объекта, с заданным шагом для всей области возможного положения объекта, функцию неопределенности в виде разности суммы взвешенных пропорционально измеренной мощности квадратов разностей измеренных и расчетных задержек и квадрата суммы взвешенных разностей, нормированного на сумму мощностей всех пунктов
где  - измеренная мощность сигнала, принятого в n-м пункте системы.
Согласно [3] весовые коэффициенты обратно пропорциональны дисперсии фиксации моментов прихода сигналов, то есть прямо пропорциональны отношению сигнал/шум в пунктах приема. В свою очередь отношение сигнал/шум пропорционально мощности принятых сигналов, поэтому в формуле (4) весовые коэффициенты заданы в виде значений измеренной мощности. Применительно к принимаемому ретранслированному сигналу отметим, что его уровень обеспечивается с существенным превышением шума приема, поэтому отношение сигнал/шум после его приема в других пунктах сохраняется практически на уровне, как и в пункте ретрансляции, соответственно пропорционально мощности сигнала, принятого в пункте ретрансляции.
n
Учет корреляции измерений в формуле (3) обеспечивается вычитанием из первой суммы, исключение вычитателя и весов P приводит к расчету методом наименьших квадратов.
В завершении обработки получают координаты источника радиоизлучения как положение минимума по неизвестным координатам функции неопределенности
Результаты оценки координат выдают потребителю.
Функции центрального пункта приема-обработки по сбору и интегральной обработке информации могут выполняться и в пункте ретрансляции с соответствующими изменениями системы связи и преобразованием центрального пункта в рядовой пункт приема-обработки.
Предложенный способ обеспечивает сокращение количества частот широкополосной ретрансляции до минимума, одной, то есть в N-1 раз относительно способа-прототипа.
Сравнительная оценка точности определения координат выполнена путем имитационного статистического моделирования системы сотового типа из семи пунктов фиг.5, где показано поле засечек координат с применением способа-прототипа слева, когда не учитывается коррелированность и неравноточность измерений, и справа для предлагаемого способа. Жирными точками указано положение пунктов системы, пункт ретрансляции находится в центре, белым кружком указано положение источника радиоизлучения. Количество статистических испытаний равно 5000. Программная реализация модели в системе Mathcad имеется у авторов и заявителя.
При моделировании в расчетные запаздывания моментов прихода сигналов объекта в пункты системы вносились погрешности в виде нормальных случайных величин, а к заданному уровню сигнала добавлялся комплексный гауссовский шум с последующим определением мощности принятого сигнала в виде квадрата модуля суммы.
Принят вариант распространения радиоволн с квадратичным ослаблением от расстояния (Введенского) при отношении сигнал/шум (ОСШ) по мощности в центре (пункте ретрансляции) равном 138 и средней квадратической ошибке (СКО) фиксации момента прихода сигнала 0,68 мкс. В других пунктах системы ОСШ снижается до 2,9, а СКО возрастает до 2,9 мкс.
В соответствии с фиг.5 разброс засечек координат при определении координат предлагаемым способом заметно снижается, средняя квадратическая ошибка определения координат уменьшается примерно в два раза, с 460 м до 229 м.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает сокращение необходимого для реализации способа частотного ресурса при повышении точности определения координат.