Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения
DIFFERENCE-RANGING METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF A RADIO-FREQUENCY SOURCE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных радиотехнических системах для определения координат (ОК) заданных источников радиоизлучения (ИРИ) с кодовым или временным разделением каналов.
i,n
i,n
Известен способ измерения взаимной задержки MSK сигналов пакетных радиосетей в разностно-дальномерной системе местоопределения (см. Пат. РФ №2623094, МПК G01S 5/06, опубл. 22.06.2017, бюл. №18). Способ предполагает прием периферийными пунктами приема (ППП) разностно-дальномерной системы местоопределения (РДСМО) сигналов пакетных радиосетей, измерение времени прихода сигналов относительно единой шкалы времени, передачу по линии связи измеренных значений на центральный пункт приема и обработки (ЦППО), где вычисляют взаимные задержки сигналов τ, причем модуль взаимно корреляционной функции (ВКФ) R(τ) вычисляют с помощью парциальных ВКФ, чем достигается повышение точности измерения τ.
Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Основным из них является недостаточная точность ОК ИРИ. Кроме того, ему присуща сложность при реализации ППП. Способ предусматривает использование на всех ППП системы единого времени при измерении задержки сигналов. Отсутствие привязки измеренных значений задержки сигнала на ППП к заданному источнику радиоизлучения при оценке их координат в условиях, когда работа нескольких ИРИ осуществляется на одной частоте (ИРИ с временным или кодовым разделением) приводит к ошибкам оценки координат ИРИ.
i,n
Известны Пат. РФ №№2258242, 2309420, 2521084 и др., эффективность применения которых резко падает при оценке координат ИРИ с временным или кодовым разделением каналов. В зависимости от длительности оценки задержек сигналов τ возникают ошибки ОК различной природы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения (см. Пат. №2539968, МПК G01S 3/46, опубл. 27.01.2015, бюл. №3).
i,n
i,n
Способ-прототип заключается в приеме сигналов ИРИ разнесенными в пространстве периферийными пунктами приема, связанными с ЦППО командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигналов, причем по командным линиям связи с ЦППО на ППП передают команды настройки на частоту сигнала ИРИ, а по линиям аналоговой ретрансляции принятые в ППП сигналы ИРИ передают на ЦППО, где измеряют разности времени приема сигналов в ППП и ЦППО τ, i и n - номера ЦППО и ППП соответственно, при этом задержки τ определяют как аргумент максимизации модуля взаимнокорреляционной функции, а на их основе вычисление координат ИРИ.
Прототип обеспечивает уменьшение количества вычислений при оценке временных задержек, принимаемых на ППП сигналов ИРИ в реализуемой ЦППО процедуре. Кроме того, выполнение ППП максимально упрощено, что способствует широкому применению способа-прототипа в РДСМО. Каждый ППП представляет собой совокупность устройств, выделяющих радиосигналы ИРИ на фоне помех, а также устройств, организующих аналоговые линии ретрансляции.
Однако прототипу присущ недостаток, ограничивающий его применение: недостаточная точность определения координат ИРИ, а в ряде случаев он теряет работоспособность. Причиной ошибок ОК прежде всего является многолучевость распространения радиоволн. В результате последние приходят на измеритель с разных направлений и с разной задержкой. Ошибочное определение координат возникает и в тех случаях, когда на частоте искомого ИРИ работают несколько корреспондентов (ИРИ) с временным или кодовым разделением каналов, например, сети Wi-Fi, GSM 2G, UMTS и др.
Рассмотрим возникающие при этом проблемы на плоскости для двух ИРИ, работающих на одной частоте с временным разделением.
i,n
Если временной интервал накопления сигнала в ЦППО окажется много больше, чем интервал передачи данных в используемом стандарте связи (при временном разделении), в накапливаемом сигнале будут присутствовать излучения обеих ИРИ. Это приведет к ошибкам вычисления ВКФ и как следствие - к погрешностям измерения задержек сигнала τ. Последнее приводит к ошибкам определения местоположения ИРИ. Если мощность сигнала второго ИРИ на входе приемных трактов ППП окажется выше мощности сигнала искомого ИРИ, в ЦППО будут определены с погрешностями координаты второго ИРИ. Следовательно, это приведет к ошибочному определению местоположения второго ИРИ вместо искомого. При возникновении ситуации, когда мощность сигнала второго ИРИ окажется выше на части ППП, то результаты определения координат непредсказуемы.
Ошибки измерений координат возможны и в ситуации, когда временной интервал накопления сигнала сопоставим с временем передачи данных в используемом стандарте связи. Они возникают при несогласованности начала интервалов накопления сигнала и передачи данных. Координаты искомого ИРИ будут также неправильно определены и в ситуации с согласованными интервалами «накопление - передача», но при работе второго ИРИ.
С развитием современных технологий, как военной, так и в гражданской сферах все чаще находят применение беспилотные летательные аппараты (БЛА) и радиоуправляемые авиамодели (РУАМ) для выполнения различных задач. Поэтому актуальной является задача определения местоположения БЛА и РУАМ по излучениям ИРИ, расположенных на их борту. Если в расчетах не учитывать информацию о высоте ИРИ, определенные координаты по широте и долготе не будут соответствовать действительности. В разностно-дальномерном способе местоположение ИРИ координаты определяются пересечением гиперболоидов вращения и линии, образуемые их горизонтальными срезами на разной высоте. Последние будут пересекаться в разных местах по долготе и широте. Из этого следует вывод о том, что необходимо проводить расчеты для всего объема пространства, для получения координат ИРИ с наименьшими погрешностями.
Целью заявляемого технического решения является разработка разностно-дальномерного способа определения координат ИРИ в пространстве, обеспечивающего повышение точности местоположения заданного источника радиоизлучения в условиях многолучевости и работы на одной частоте нескольких ИРИ с временным или кодовым разделением каналов.
n
n
i
j
k
i
j
k
i
j
k
n
i,j,k,n
n
i
j
k
i,j,k,n
n
n
n
n
n
i,j,k,n
n
i,j,k
n
i
j
k
а
a
а
*
Поставленная цель достигается тем, что в известном разностно-дальномерном способе определения координат ИРИ, основанном на приеме сигналов пространственно разнесенными периферийными пунктами приема, связанных с центральным пунктом приема и обработки командными линиями связи и линиями аналоговой ретрансляции сигнала, причем командными линиями связи с ЦППО на ППП передают команды настройки на частоту сигнала ИРИ, а по линиям аналоговой ретрансляции принятые в ППП сигналы ИРИ передают на ЦППО, где измеряют разность времени приема этих сигналов в ППП и ЦППО τ, где n ∈ 1, 2, …, N - номера ППП и измерительных баз ЦППО - ППП, на основе которых определяют координаты ИРИ, отличающийся тем, что на ЦППО на подготовительном этапе в виде прямоугольного параллелепипеда задают контролируемый район (КР) и вводят систему координат с началом в одной из его вершин, с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней, примыкающих к выбранной вершине, которые обозначают через А, В и С соответственно, КР делят на элементарные объемы со сторонами , b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно, объем которых выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ, определяют координаты центров элементарных объемов (X, Y, Z), на основе которых формируют объемную матрицу координат Р размерности А'×B'×С', где X = i, i= 1, 2, …, А/ = A', Y = bj, j = 1, 2, …, B/b = В', Z = ck, k = 1, 2, …, С/с = С', для каждого элемента (X, Y, Z) матрицы координат Р всех N измерительных баз определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП τ, формируют N эталонных матриц M, n = 1, 2, …, N, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (X, Y, Z) эталонное значение разности задержки прихода сигналов τ для n-й измерительной базы ЦППО - ППП, а в процессе работы для учета разности времени приема сигнала вычисляют взаимнокорреляционную функцию (ВКФ) сигналов R[τ], принятых на n-м ППП, n = 1, 2, …N, и на ЦППО, для значений временного сдвига в интервале  где с - скорость света, d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ, соответствующим частоте дискретизации сигнала, на основе N эталонных матриц M формируют корреляционные матрицы Ф путем замены элементов задержки τ на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ], значения матриц Ф, n = 1, 2, …, N, суммируют по всем N измерительным базам  а за наиболее вероятное расположение ИРИ принимают координаты точки (X, Y, Z), соответствующей максимальному значению элемента матрицы
При этом измерение разности времени приема сигналов заданного ИРИ на ЦППО и ППП осуществляют в интервал времени от начала преамбулы до завершения данных (МАС-фрейма), полученных на основе анализа преамбулы и заголовка текущего фрейма.
Кроме того, используют три периферийных пункта приема, размещаемых вблизи границ контролируемого района в форме равностороннего треугольника, в центре которого располагают центральный пункт приема и обработки.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет более полного учета полученной статистики результатов пространственных измерений в заявляемом способе обеспечивается повышение точности определения координат заданного ИРИ разностно-дальномерным способом в условиях работы нескольких ИРИ на одной частоте с временным или кодовым разделением каналов.
Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 приведена структура преамбулы и заголовка PLCP передаваемого фрейма в стандарте IEEE 802.11b;
на фиг. 2 показана структура известных МАС-фреймов:
а) CTS МАС-фрейм;
б) PS-Poll МАС-фрейм;
в) CF-End МАС-фрейм;
г) CF-End+CF-Fck МАС-фрейм;
д) BlockAckRed МАС-фрейм;
на фиг. 3 приведена структура поля Frame Control МАС-фрейма;
на фиг. 4 иллюстрируется значение полей Туре и Subtype для различных типов фрейма;
на фиг. 5 показан обобщенный алгоритм работы разностно-дальномерного способа определения координат ИРИ в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг. 6 приведена обобщенная структурная схема устройства, реализующего данный способ;
на фиг. 7 - порядок задания контролируемого района:
а) задание границ контролируемого района;
б) формирование элементарных объемов;
в) определение координат центров элементарных объемов;
на фиг. 8 - порядок формирования матрицы координат Р;
на фиг. 9 - порядок формирования одной из N:
n
а) эталонной матрицы M;
n
б) корреляционной матрицы Ф;
на фиг. 10 - пример визуализации значений задержки сигнала для ЦППО и ППП, где белым цветом показана максимальная задержка, а черным - минимальная;
на фиг. 11 приведено измеренное значение ВКФ для одной измерительной базы;
n
на фиг. 12 показан результат визуализации значений R[τ] на контролируемый район для одной измерительной базы;
на фиг. 13 приведены значения ВКФ для трех измерительных баз;
на фиг. 14 представлена визуализация суммы проекций ВКФ трех измерительных баз;
на фиг. 15 показано взаимное местоположение ЦППО и двух ППП в КР (первый, второй и третий варианты размещения);
на фиг. 16 приведено взаимное местоположение ЦППО и трех ППП в КР (четвертый - девятый варианты размещения);
на фиг. 17 приведены нормированные гистограммы с накоплением для полученной выборки ошибок:
а) для пятого варианта размещения ЦППО и трех ППП;
б) для девятого варианта размещения ЦППО и трех ППП;
на фиг. 18 представлены результаты моделирования точностных характеристики ОМ ИРИ для девяти вариантов расположения ЦППО и ППП.
Предлагаемый способ рассмотрен на примере широко используемых сетей Wi-Fi. Известно, что в стандарте IEEE 802.11b (см. Приложение Г (информационное). Стандарт IEEE 802.11а, b, g, n. Беспроводные сети передачи данных Wi-Fi. Электронный ресурс.HTTP://ab57.ru/soft/wifidoc.pdf. Дата обращения 23.01.2019) в режиме DSSS в начале каждого отправляемого фрейма данных содержится преамбула и заголовок PLCP, модулированные посредством DBPSK модуляции (см. фиг. 6). В преамбуле, в поле SFD находится индикатор начала фрейма в виде 0xF3A0. В заголовке PLCP содержится информация о способе модуляции самих данных (МАХ-фрейм) и их длина. В поле Signal находится информация о типе цифровой модуляции МАС-фрейма. Значение 0х0А соответствует DBPSK, а 0x14 DQPSK модуляции. Выполнив соответствующий вид демодуляции в начале МАС-фрейма определяют адрес пользователя (устройства ИРИ). Если МАС-адрес обнаруженного фрейма совпадает с МАС-адресом заданного ИРИ, местоопределение которого необходимо определить, то интервал времени, использованный для передачи от преамбулы до завершения данных (МАС-фрейм) целесообразно использовать для местоопределения.
a
a
а
i
i
i
i
j
k
Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом (см. фиг. 5, 6). На подготовительном этапе на ЦППО задают контролируемый район (КР) в виде прямоугольного параллелепипеда (см. фиг. 7). Вводят систему координат с началом в одной из вершин, с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней параллелепипеда, примыкающих к выбранной вершине. Последние обозначают через А, В и С соответственно. Контролируемый район делят на элементарные объемы (см. фиг. 7, 8) со сторонами , b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно. Размеры элементарных объемов выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ. Далее определяют координаты центров элементарных объемов (X, Y, Z) (см. фиг. 7в), на основе которых формируют объемную матрицу координат Р размерности А'×В'×С' (см. фиг. 8), X = i, i = 1, 2, …, А/ =A', Y = bj, j = 1, 2, …, B/b = В', Z = ck, k = 1, 2, …, С/с = С'.
i,j,k,n
Для каждого элемента матрицы координат Р всех N измерительных баз определяют эталонные значения времени прихода сигнала на ЦППО и n-й, n = 1, 2, …, N, ППП τ.
*
0
0
0
n
n
n
где с - скорость света, (Х, Y, Z) - координаты ЦППО, (X, Y, Z) - координаты n-го ППП, n = 1, 2, …, N - номера ППП. С этой целью на подготовительном этапе задают координаты ЦППО и ППП.
n
i
i
i
i,j,k,n
n
На следующем этапе формируют N трехразмерных эталонных матриц M, n = 1, 2, …, N, элементами каждой из которых являются соответствующие координатам (X, Y, Z) эталонные значения разности задержки прихода сигнала τ для n-й измерительной базы ЦППО-ППП (см. фиг. 9).
н
Пример визуализации значений задержки для ЦППО и одного ППП показан на фиг. 10. При этом белым цветом показана максимальная задержка, а черным - минимальная. Далее задают МАС-адрес пользователя  длительность интервала анализа Δt и его начало t', частоту сигнала ƒ.
n
n
Обобщенная структурная схема устройства, реализующего данный способ (см. фиг. 6), содержит три ППП (n ∈ 1, 2 и 3) и один ЦППО (n ∈ 4). Каждый ППП сигналов ИРИ с временным или кодовым разделением в общем виде представляет совокупность последовательно соединенных трактов приема сигналов ИРИ названных классов и трактов, реализующих аналоговую ретрансляцию излучений. ЦППО содержит радиопередатчик, предназначенный для реализации командной линии связи, совокупность из N+1 трактов приема радиосигналов (из них Антрактов, предназначенных для приема ретранслированных ППП сигналов) и центральный пункт обработки в составе: блок управления, тракт анализа, N+1 аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), N+1 блоков памяти, вычислитель, блок формирования матриц эталонных значений M, блок формирования матрицы координат Р, блок формирования корреляционных матриц Ф, сумматор и блок принятия решения. При этом все ППП настраиваются на заданную частоту сигнала, значение которой поступает по командным каналам связи от ЦППО.
Сигналы ИРИ, принятые на ЦППО и ППП имеют вид
соответственно.
Последние с выходов приемных трактов ППП поступают на входы соответствующих трактов аналоговой ретрансляции и далее излучают в эфир.
На ЦППО эти излучения принимают с помощью соответствующих N приемных трактов и запоминаются на заданное время Δt. Одновременно с ними осуществляют прием сигналов этого ИРИ и на собственный N+1-вый приемный тракт в течение того же интервала времени Δt, в течение которого осуществляют их анализ.
4
4
a
Для этого принятые в N+1-м приемном тракте ЦППО сигналы с помощью АЦП и демодулятора (снимают DBPSK модуляцию), превращают аналоговый сигнал x(t) в битовую последовательность (t). На его основе осуществляют поиск преамбулы и заголовка PLCP (см. фиг. 1). В преамбуле в поле SFD содержится значение 0xF3A0, которое служит индикатором начала фрейма. В заголовке PLCP в поле Signal содержится информация о способе цифровой модуляции самих данных (МАС-фрейма). Значение 0х0А соответствует DBPSK модуляции, a 0x14-DQPSK модуляции. Кроме того, в заголовке PLCP содержится информация о длине данных в МАС-фрейме.
Известны МАС-фреймы различных типов: CTS - фиг. 2а, PS-Poll - фиг. 2б, CF-End - фиг. 2в, CF-End+CF-Ack - фиг. 2г, Block Ack Req - фиг. 2д. Помимо перечисленных, существуют и другие типы МАС-фреймов, однако в них отсутствует информация о МАС-адресах передающего устройства. Поэтому их использование затруднено для местоопределения ИРИ.
У всех фреймов в их начале есть поле Frame Control (см. фиг. 3), где содержится информация о типе данного фрейма - это поля Туре и Subtype. Значение этих полей для каждого фрейма показано на фиг. 4. В поле ТА у фреймов содержится МАС-адрес передающего устройства. Для получения названных данных необходимо предварительно выполнить цифровую демодуляцию МАС-фрейма в соответствии с содержимом поля Signal заголовке PLCP.
*
1
n
n
В случае совпадения МАС-адреса Г обнаруженного фрейма с заданным адресом  устройства, участок сигнала с границами от начала преамбулы PLCP tдо конца МАС-фрейма t используют для нахождения взаимнокорреляционной функции Ф принятого сигнала R[τ]. При этом свертка принятых ЦППО и ППП сигналов R может осуществляться как в аналоговом, так и в дискретном виде. В случае использования дискретных сверток (предлагаемый вариант устройства) запомненные сигналы от ППП дополнительно оцифровывают.
n
n
Дополнительная синхронизация при измерении τ не требуется в связи с тем, что обработку всех N+1 сигналов осуществляют в одном месте. Нахождение задержек τ с последующим определением координаты ИРИ выполняют в соответствии со способом-прототипом.
n
0
*
Вычисление ВКФ сигналов R[τ], принятой n-й измерительной базой, n = 1, 2, , N, осуществляют для значений временного сдвига  где с - скорость света,  - расстояние между ЦППО и n-м ППП с заданным шагом τ по формуле:
4
n
где τ - временной сдвиг между сигналами (задержка), u(t),  - сигнал, принятый на ЦППО и сопряженный с ним сигнал, u(t),  - сигнал, принятый на n-м ППП и сопряженный с ним сигнал. На фиг. 9б приведено значение ВКФ для одной измерительной базы.
n
n
n
i,j,k,n
i
j
k
i,j,k,n
i
j
k
n
i,j,k
n
После этого полученные значения каждой рассчитанной ВКФ R[τ] проецируют на элементы соответствующей n-й эталонной матрицы M (элементарные объемы зоны поиска). В матрице M каждый элемент τ соответствует определенным координатам точке [X, Y, Z). По ранее полученным значениям τ для каждой точки (X, Y, Z) контролируемого района рассчитывают значения R[τ] в соответствии с (3) и, следовательно, соответствующие этой точке. Названная операция соответствует формированию соответствующей (из набора в N) корреляционной матрицы Ф.
n
n
i,j,k
n
i
j
k
Формирование N корреляционных матриц Ф осуществляют путем проецирования полученных значений ВКФ R[τ] в соответствующих местах эталонной матрицы M, а следовательно, в соответствующих точках (X, Y, Z).
n
i
j
k
На следующем этапе значения R[τ] суммируют по всем N измерительным базам:  За наиболее вероятное местоположение заданного ИРИ принимают координаты точки (X, Y, Z), соответствующее максимальному значению элемента матрицы
i,j,k
i
j
k
n
Такой подход к ОК заданного ИРИ обеспечивает повышение точности выполняемых в пространстве измерений. Известно, что во взаимнокорреляционных функциях R[τ] присутствуют побочные максимумы от отраженных сигналов, иногда с максимальным значением (см. фиг. 11, 13). Последние имеют местоположение на временной оси не соответствующее положению ИРИ. В известных способах и устройствах это приводит к ошибкам измерений координат. В предложенном способе значение ВКФ R[τ] принимает максимальное значение (глобальный максимум) благодаря тому, что в точке (X, Y, Z) оно равно сумме величин корреляций, соответствующих местоположению истинным локальным максимумам R[τ] всех трех измерительных баз. В свою очередь локальные максимумы, полученные от переотраженных сигналов всех трех измерительных баз, будут распределены случайным образом. Их суммирование не дает глобального максимума ВКФ (см. фиг. 14). На фиг. 13 показаны ВКФ для трех измерительных баз, работающих по сигналам Wi-Fi. На первом и третьем графике ВКФ четко видны побочные пики от отраженных сигналов, причем на третьем графике побочный пик выше, чем истинный, соответствующий истинному положению ИРИ. На фиг. 14 представлена визуализация суммы проекций ВКФ на контролируемый район. Наблюдается пересечение трех линий, образованных истинными пиками ВКФ. Побочные пики не внесли ошибки при определении местоположения ИРИ.
Точностные характеристики ОК ИРИ в пространстве зависят от количества ППП N и геометрии их взаимного расположения. Выполнено моделирование систем ОК, использующей два и три ППП, ЦППО при их различном взаимном размещении (см. фиг. 15 и 16). При этом ЦППО и ППП располагаются внутри окружности радиусом 100 м. Расчеты выполнены для КР в форме цилиндра высотой 100 метров, основанием которого является вышеназванная окружность.
Для названных вариантов расстановки ЦППО и ППП (см. фиг. 15 и 16) для каждой измерительной базы в каждой точке КР с шагом в 3 метра:
i
j
k
определены координаты каждой точки контролируемого пространства (X, Y, Z);
i,j,k,n
n
рассчитаны эталонные значения разности времени прихода сигнала (задержки) τ между ЦППО и ППП, n = 1, 2, 3;
внесена случайная ошибка в интервале [-10 нс; 10 нс] в полученную эталонную задержку;
рассчитаны значения ВКФ для полученных задержек;
определены координаты ИРИ на основании полученных значений ВКФ предлагаемым способом;
найдена ошибка в ОК ИРИ как расстояние между точкой с точными (эталонными) координатами и рассчитанными координатами.
a
a
a
a
i
i
i-1
i
После этого построены нормированные гистограммы для полученной выборки ошибок с разбиением числовой прямой на интервалы Δ =  - , где i ∈ E, i≥0,  = i. На фиг. 17а, б приведены гистограммы с накоплением для пятого и девятого вариантов расстановки ЦППО соответственно и трех ППП. Результаты моделирования для всех девяти вариантов сведены в таблицу (см. фиг. 18). Из фиг. 17а следует, что в пятом варианте расстановки элементов системы МО ИРИ 80% точек из области симулирования имеют ошибку в пределах 42 м, в то время как последняя составляет 8 м (см. 17 в) в девятом варианте. Результаты моделирования (см. фиг. 18) свидетельствуют о том, что наилучшие точностные характеристики в предлагаемом способе достигаются при:
наличии трех ППП;
девятом варианте размещения ЦППО и ППП.
Таким образом, в предлагаемом способе имеет место следующая последовательность операций.
На подготовительном этапе:
1. Задание на ЦППО контролируемого района в виде прямоугольного параллелепипеда и введение системы координат с началом в одной из его вершин с осями 0х, 0у и 0z, направленными вдоль граней, примыкающих к выбранной вершине, которые обозначают через А, В и С соответственно (см. фиг. 7а).
2. Размещение трех периферийных пунктов приема вблизи границ КР в форме равностороннего треугольника, в центре которого располагают ЦППО.
а
3. КР делят на элементарные объемы со сторонами , b и с по осям 0х, 0у и 0z соответственно, объем которых выбирают исходя из заданной точности Δd определения координат ИРИ (см. фиг. 7б).
i
j
k
4. Определяют координаты центров элементарных объемов (X, Y, Z) (см. фиг. 7в).
i
j
k
i
i
k
a
а
5. На основе координат (X, Y, Z) формируют матрицу координат Р размерности А'×В'×С', где X = i, i = 1, 2, …, А/ = A', Y = bj, j = 1, 2, …, B/b = В', Z =ck, k = 1, 2, …, С/с = С' (см. фиг. 8).
i
j
k
k
k
i,j,k,n
6. Для каждого элемента (X, Y, Z) ) матрицы Р и всех N измерительных баз определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП τ.
n
i
j
k
i,j,k,n
n
7. Формируют N эталонных матриц M, n = 1, 2, …, N, элементами каждой из которых является соответствующее координатам (X, Y, Z) эталонное значение разности задержки прихода сигнала τ для n-й измерительной базы ЦППО - ППП, (см. фиг. 9).
В процессе работы:
1. Накопление в ЦППО сигналов за некоторый промежуток времени Δt от всех ППП и ЦППО.
2. Демодуляция накопленного сигнала, принятого собственно ЦППО и модулированного посредством DBPSK модуляции. В результате получают массив битов.
2
3. Поиск в массиве битов SFD кода - значения 0xF3A0 (1111001110100000).
4. Чтение заголовка PLCP - следующие 48 бит после SFD кода.
2
2
5. Определение способа модуляции МАС-фрейма: в поле Signal заголовка PLCP: значение 0х0А (00001010) соответствуют DBPSK модуляции, 0x14 (00010100) - DQPSK - модуляции.
6. Определение длины МАС-фрейма - поле Length заголовка PLCP.
7. Демодуляция МАС-фрейма.
8. Определение МАС-адреса устройства.
9. Если МАС-адрес устройства соответствует МАС-адресу искомого устройства, то выделяют часть сигнала, соответствующего началу преамбулы PLCP и окончанию МАС-фрейма, в противном случае начиная с конца текущего фрейма, осуществляется поиск следующего фрейма (пункт 3).
n
n
10. Вычисление взаимнокорреляционной функции сигналов R[τ], принятых на n-м ППП, n = 1, 2, …, N, и на ЦППО для значений временного сдвига в интервале  где d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ (см. фиг. 10).
n
i,j,k,n
n
n
i,j,k
11. Формирование N корреляционных матриц Ф путем замены элементов задержки τ матриц M на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ].
n
12. Суммирование матриц Ф по всем N измерительным базам (см. фиг. 14)
i
j
k
13. Принятие за наиболее вероятное местоположение заданного ИРИ точки с координатами (X, Y, Z) соответствующей максимальному значению элемента  матрицы
Положительный эффект в повышении точности определения координат во всем объеме КР достигается благодаря учету всей полученной статистики измерений пространственно-информационных параметров (значений взаимнокорреляционных функций), а не их дискретных значений.
н
n
n
N+1
i
j
k
n
n
i
j
k
n
n
n
n
i,j,k
n
i
j
k
A
B
C
D
n
n
n
*
а
Заявленное устройство определения координат ИРИ на основе разностно-дальномерного способа (см. фиг. 6) содержит N периферийных пунктов приема 1.1-1.N и центральный пункт приема и обработки 2, причем каждый ППП 1.1-1.N состоит из последовательно соединенных тракта приема радиосигналов 4 и тракта ретрансляции радиосигналов 5, а ЦППО 2 содержит радиопередатчик 7, предназначенный для реализации командной линии связи, N+1 трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1 и центральный пост обработки 3, N+1 входов которого соединены с выходами соответствующих трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, а выход является выходной шиной 24 ЦППО 2, первая входная шина 6 которого является входом управления радиопередатчика 7 и соединена со входами управления трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, предназначена для задания частоты настройки ƒ трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1 ЦППО и опосредованно через радиостанцию 7 трактов приема радиосигналов 4.1-4.N ППП. ЦППО выполнен содержащим N+1 аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, входы которых соединены с выходами соответствующих трактов приема радиосигналов 8.1-8.N+1, N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1, информационные входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, вычислитель 15, предназначенный для нахождения взаимнокорреляционной функции сигналов R[τ], принятых на n-м ППП 1.n, n = 1, 2, …, N, и на ЦППО 2, для значений временного сдвига в интервале  где d - расстояние между ЦППО и n-м ППП, с заданным шагом Δτ, группа из N+1 входов вычислителя 15 соединена с информационными выходами соответствующих N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1, блок управления 11, предназначенный для задания длительности интервала анализа Δt и его начала t', тракт анализа 12, предназначенный для определения начала очередного фрейма t, его длительности  вида модуляции МАС-фрейма и его демодуляции, определения адреса текущего пользователя Г, второй вход которого является вторым установочным входом ЦПО 3 и третьей входной шиной 21 ЦППО 2, предназначенной для задания адреса пользователя  первый информационный вход тракта анализа 12 соединен с выходом N+1-го аналого-цифрового преобразователя 9.N+1, а выход объединен с первыми входами управления N+1 блоков памяти 13.1-13.N+1 и вторым входом блока управления 11, первый вход которого является первым установочным входом ЦПО 3 и второй входной шиной 10 ЦППО 2, предназначенной для задания интервала анализа Δt и его начала t', а выход соединен со вторыми входами управления блоков памяти 13.1-13.N+1 и третьим входом тракта анализа 12, четвертая входная шина 22 ЦППО 2, предназначена для задания координат ППП 1.1-1.N и ЦППО 2 {X, Y, Z}, соединена с N+2 входом вычислителя 15 и является третьим установочным входом ЦПО 3, последовательно соединенные блок формирования матрицы координат Р 18, предназначенный для определения координат центров элементарных участков (X, Y, Z) контролируемого района и формирования на их основе матрицы координат Р, блок формирования матриц эталонных значений M 17, предназначенный для вычислений задержек прихода сигнала  для n-й измерительной базы ЦППО 2 - ППП 1.n, n = 1, 2, …, N, соответствующей каждой координате (X, Y, Z), и формирования на их основе N эталонных матриц M, блок формирования корреляционных матриц Ф 16, предназначенный для формирования N корреляционных матриц Ф, элементами которых являются значения ВКФ R[τ], соответствующие задержкам  сигнала в элементах матриц эталонных значений M, сумматор 19 и блок принятия решения 20, предназначенный для определения элемента матрицы  с максимальным значением функции корреляции  величина которой соответствует наиболее вероятному местоположению ИРИ с координатами (X, Y, Z), выход которого является выходом ЦПО 3 и выходной шиной 24 ЦППО 2, пятая входная шина 23 которого предназначена для задания границ контролируемого района с помощью координат точек (X, Y, Z), (X, Y, Z), (X, Y, Z), (X, Y, Z) и размеров элементарных объемов , b и с соединена с информационным входом блока формирования матрицы координат Р 18 и является четвертым входом ЦПО 3, генератор тактовых импульсов 14, выход которого соединен с входами синхронизации N+1 аналого-цифровых преобразователей 9.1-9.N+1, блока управления 11, тракта анализа 12, блока формирования матриц эталонных значений M 17, блока формирования матрицы координат Р 18, блока формирования корреляционных матриц Ф 16, сумматора 19, блока принятия решения 20 и вычислителя 15, информационный выход которого соединен со вторым информационным входом блока формирования корреляционной матрицы Ф 16.
N
N+1
н
н
Работа устройства (см. фиг. 5 и 6) осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе задают структуру измерителя: количество ППП 1 N, N=3, определяют их взаимное расположение и координаты (X, Y, Z). Определяют координаты ЦППО (X, Y, Z). По шине 22 полученные данные заносят в вычислитель 15 ЦПО 3. По второй входной шине ЦППО 10 задают интервал анализа Δt (временной интервал, на который одновременно запоминают в блоках 13.1-13.4 сигналы ИРИ) и его начало t'. По первой входной шине ЦППО 6 поступает значение частоты ƒ для настройки на нее приемных трактов 8.1 - 8.4 ЦППО 2. Опосредованно через радиостанцию 7 с помощью кода частоты N(ƒ) осуществляют настройку приемных трактов 4.1 - 4.3 ППП 1. Третья входная шина 21 ЦППО 2 используется для задания МАС-адреса пользователя  координаты которого необходимо определить.
A
B
C
D
i
j
k
i
j
k
а
a
В виде прямоугольного параллелепипеда задают контролируемый район, в котором будет осуществляться поиск и местоопределение заданного ИРИ. Эта операция осуществляется по команде, поступающей на пятую входную шину 23 ЦППО 2. Границы района задают координатами четырех точек (X, Y, Z), (X, Y, Z), (X, Y, Z) и (X, Y, Z). Границы по оси 0х, 0у и 0z обозначают через А, В и С соответственно (см. фиг. 7а). КР делят на элементарные объемы со сторонами , b и с, значения которых также задают по шине 23. Эту операцию выполняет блок 18. Далее с помощью блока 18 определяют центры элементарных объемов (см. фиг. 7б, в). На основе полученных координат (X, Y, Z) c помощью блока 18 формируют матрицу координат размерности А'×В'×С', где X = i, i = 1, 2, …,  Y= bj, j = 1, 2, …, B/b = B' Z = ck, k = 1, 2, …, C/c = С' (см. фиг. 8).
i
j
k
n
n
i
j,
k
i,j,k,n
Для каждого элемента (X, Y, Z) матрицы Р и всех N измерительных баз в соответствии с (1) в блоке 17 определяют эталонные значения разности времени прихода сигнала на ЦППО и ППП, n = 1, 2, …, N. На основе полученных данных формируют K матриц эталонных значений M путем замены элементов (X, Y Z) матрицы координат Р на соответствующие значения эталонных задержек τ.
н
n
n
n
Каждый ППП 1.1-1.3 сигналов ИРИ представляет совокупность последовательно соединенных трактов приема радиосигналов 4.n и тракт ретрансляции радиосигналов 5.n, n = 1, 2 или 3. Тракты 4.n настраиваются на заданную частоту ƒ по команде N(ƒ), поступающей от ЦППО 2 по линии командной радиосвязи. Центральный пункт приема и обработки 2 содержит радиопередатчик 7, предназначенный для реализации командной линии связи, совокупность из N+1 (четырех) трактов приема радиосигналов 8.1-8.4 и центральный пункт обработки 3 (см. фиг. 6) в составе: блок управления 11, тракт анализа 12, аналого-цифровые преобразователи 9.1-9.4, блоки памяти 13.1-13.4, вычислитель 15, блок формирования корреляционных матриц Ф 16, блок формирования матриц эталонных значений M 17, блок формирования матрицы координат Р 18, сумматор 19, блок принятия решения 20 и генератор тактовых импульсов 14.
a
a
a
a
1
2
3
4
Сигналы ИРИ, принятые на ЦППО 2 и ППП 1.1-1.3 и имеющие вид (2) с выходов трактов 8.1-8.4 поступают на входы соответствующих АЦП 9.1-9.4. Оцифрованные сигнальные потоки (t), (t), (t) и (t) с выходов блоков 9.1-9.4 далее следуют на информационные входы соответствующих блоков памяти 13.1-13.4. Операция одновременной записи сигналов в блоки 13.1-13.4 осуществляется по команде блока управления 11 в момент времени t', которая поступает на их вторые управляющие входы. Для этого на выходе блока 11 формируется импульс прямоугольной формы заданной длительности Δt. Значение Δt выбирается из расчета:
пр
заг
cp
где t - длительность преамбулы PLCP 144 бит, t - длительность заголовка PLCP 48 бит, t - средняя длительность МАС-файла. За интервал времени Δt необходимо обнаружить и проанализировать целостное излучение одного из пользователей системы Wi-Fi.
4
4
*
Сигналы ИРИ, принятые непосредственно на ЦППО 2 трактом 8.4x(t) и преобразованные в цифровую форму x'(t) блоком 9.4, поступают на вход тракта анализа 12. Его работа начинается в момент времени t' с приходом управляющего сигнала блока 11 на его третий вход. В функции тракта 12 входит определение начала очередного фрейма t, его длительность  (длину), вид модуляции МАС-фрейма и его демодуляция, определение адреса текущего пользователя Г, сравнение его с заданным на подготовительном этапе работы устройства адресом  При положительном решении выдает временной интервал  измерения пространственных параметров заданного  ИРИ,  который начинается с момента t*. Здесь  - длительность МАС-фрейма  абонента. Однако при определении значения  следует учитывать задержки сигнала ИРИ в точках его приема на ЦППО 2 и ППП 1.n. В противном случае это может привести к погрешностям измерения задержек сигналов. Поэтому временной интервал  целесообразно сократить и начать с заголовка фрейма.
*
1
После принятия решения об обнаружении сигналов заданного  абонента трактом 12 формируется управляющий сигнал, поступающий на первые входы управления блоков памяти 13.1-13.4. В результате содержимое последних начиная с момента t и до окончания  фрейма t поступает на соответствующие входы вычислителя 15.
В противном случае, когда фрейм с заданным  абонентом в рамках интервала времени Δt не обнаружен, трактом 12 формируется управляющий сигнал, поступающий на первые входы управления блоков памяти 13.1-13.4, который обнуляет их содержимое. Кроме того, этот сигнал поступает на второй вход блока управления 11. В результате блоком 11 формируется новый управляющий сигнал длительностью Δt, в результате появления которого начинается новый цикл работы устройства по записи очередной выборки сигналов ИРИ в блоки 13.1-13.4 и их анализ.
n
n
4
n
n
n
n
n
i,j,k,n
n
n
Вычислитель 15 предназначен для вычисления N взаимнокорреляционных функций R[τ]. Для этого дополнительно по четвертой входной шине 22 в блок 15 поступают координаты местоположения ППП 1.n (X, Y, Z), n = 1, 2, 3; координаты ЦППО 2 (X, Y, Z), значение шага корреляции Δτ, соответствующее частоте дискретизации. В блоке 15 дополнительно вычисляется значение границ временного сдвига τ при нахождении ВКФ для каждой измерительной базы, расстояние между ЦППО 2 и ППП 1.n d. Полученные значения ВКФ R[τ] поступают на второй вход блока формирования корреляционных матриц Ф 16. На первый вход блока 16 поступают значения N матриц эталонных значений M 17. В функции блока 16 входит формирование N корреляционных матриц Ф путем замены элементов задержки τ матриц M на соответствующие им измеренные значения ВКФ R[τ], поступающие с выхода блока 15.
n
i,j,k
i
j
k
i,j,k
Сформированные блоком 16 значения N корреляционных матриц Ф поступают на вход сумматора 19. В функцию блока 19 входит выполнение операции суммирования  Полученное в результате выполнения этой операции значение матрицы  поступают на вход блока 20. В функцию последнего входит определение элемента матрицы  с максимальным значением R'[τ] и формирование на своем выходе соответствующих координат (X, Y, Z) как arg max R'[τ].
Синхронность работы элементов устройства обеспечивают импульсы тактового генератора 14.