Патент на изобретение №2316784

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПЕРЕДАТЧИКА МОБИЛЬНЫМ ПЕЛЕНГАТОРОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля. Достигаемым техническим результатом заявленного способа является расширение площади рабочей зоны на 20%, повышение помехозащищенности при многолучевом распространении радиоволн в условиях города и точность определения местоположения передатчика до 40%. Указанный результат достигается за счет того, что в каждом периоде измерения принятые радиосигналы преобразуют в пространственный спектр, значения которого с весами, пропорциональными расчетному ослаблению радиосигналов передатчика при распространении их до мобильного пеленгатора, накапливают за все время движения пеленгатора и нормируют на среднее квадратичное весов с получением усредненного пространственного спектра. Местоположение передатчика определяют по максимуму усредненного пространственного спектра. 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля коротковолнового и ультракоротковолнового диапазона, в частности, в условиях города.

Известен способ определения местоположения источника излучения маневрирующим пеленгатором, в котором на участке равномерного движения измеряют скорость, курсовой угол пеленгатора и, в трех точках пространства, пеленги на источник излучения, а его положение относительно пеленгатора рассчитывают, решая уравнения взаимосвязи результатов измерений и координат источника излучения [1. Шаров С.Н. Оценка точности измерения параметров движения источника излучения маневрирующим пеленгатором. Информационно-управляющие системы. №2, 2005, с.39-46].

Основной недостаток способа – низкая помехозащищенность функционального преобразования на основе решения уравнений взаимосвязи измеряемых параметров и координат источника излучения. Область применения способа ограничена условием равномерного движения пеленгатора и нерасположения передатчика на линии движения, когда линии пеленгов не пересекаются.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ определения местоположения передатчика мобильным пеленгатором, включающий: периодическое измерение курсового угла и собственных координат мобильного пеленгатора, синхронно с этим прием радиоизлучения передатчика с помощью антенн, образующих антенную решетку, и многоканального приемного устройства, измерение пеленга на него по зависимости фазы принятого радиоизлучения от расстояния с учетом курсового угла и собственных координат мобильного пеленгатора, расчет линии пеленга с заданным шагом квантования пространства возможного местоположения передатчика, по совокупности периодов измерения определение числа пересечений линиями пеленга квантов пространства, определение местоположения радиопередатчика как положения максимума числа пересечений среди всех квантов пространства [2. Ашихмин А.В., Жуков А.А., Козьмин В.А., Шадрин И.А. Локализация источников радиоизлучений и измерение напряженности поля с помощью мобильной станции радиоконтроля. Спецтехника, 2003. Специальный выпуск, с.14].

Ближайшему аналогу присущи следующие недостатки. Первое, область применения способа ограничена условием нерасположения передатчика на линии и вблизи линии движения мобильной станции радиоконтроля, когда линии пеленгов не пересекаются или пересекаются под очень острым углом, соответственно возникают аномально большие ошибки определения местоположения радиопередатчика. Второе, низкая точность определения местоположения передатчика в городских условиях, когда значительны погрешности пеленгования из-за переотражения электромагнитных волн от окружающих предметов. Третий недостаток связан с тем, что принципиально всегда, независимо от положения передатчика, линия пеленга пересекает квант пространства, в котором находится пеленгатор. Поэтому область вблизи маршрута движения пеленгатора (порядка ±500 м) является нерабочей и исключается из анализа. Первый и третий недостатки особенно существенны на начальном этапе работы, при выборе дальнейшего маршрута движения пеленгатора. Определенную трудность вызывает расчет линии пеленга в дискретном пространстве, для выполнения которого необходим значительный ресурс вычислительных средств.

Задачей данного изобретения является расширение функциональных возможностей, обеспечение области применимости способа на зоны пространства вблизи маршрута движения пеленгатора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, – повышение помехозащищенности и увеличение рабочей зоны.

Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения местоположения передатчика мобильным пеленгатором, включающем периодическое измерение курсового угла и собственных координат мобильного пеленгатора, синхронно с этим прием радиосигналов передатчика с помощью антенн, образующих антенную решетку, и многоканального приемного устройства, согласно изобретению в каждом периоде измерения принятые радиосигналы преобразуют в пространственный спектр путем компенсации их расчетных, с учетом собственных координат и курсового угла мобильного пеленгатора, набегов фаз, последующего сложения радиосигналов и определения амплитуды суммарного радиосигнала, значения полученного пространственного спектра с весами, пропорциональными расчетному ослаблению радиосигналов передатчика при распространении их до мобильного пеленгатора, накапливают за все время движения пеленгатора, нормируют на среднее квадратичное весов с получением усредненного пространственного спектра, а местоположение передатчика определяют по максимуму усредненного пространственного спектра.

Предложенный способ отличается от известного наличием новых действий над радиосигналами, условиями и порядком их выполнения, а именно:

– в каждом периоде измерения принятые радиосигналы преобразуют в пространственный спектр;

– за все время движения значения пространственного спектра накапливают с весами пропорциональными расчетному ослаблению радиосигналов передатчика при распространении их до мобильного пеленгатора и нормируют на среднее квадратичное весов;

– местоположение передатчика определяют как положение максимума накопленного нормированного пространственного спектра.

Кроме того, значения пространственного спектра определяют путем компенсации расчетных (с учетом собственных координат и курсового угла мобильного пеленгатора) набегов фаз принятых радиосигналов, последующего их сложения и определения амплитуды суммарного радиосигнала.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от ближайшего аналога, не выявлена.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает структурную схему мобильного пеленгатора для реализации заявленного способа.

Фиг.2 – маршрут движения мобильного пеленгатора, квадратиком показано местоположение передатчика.

Фиг.3 – линейная ошибка определения местоположение передатчика на маршруте движения.

Фиг.4 – ошибка определения направления на передатчик на маршруте движения.

Идея решения поставленной технической задачи состоит в получении и использовании информации о распределении радиоизлучения во всей области возможного местоположения передатчика, а не только в направлении максимума радиоизлучения (линии пеленга), как это принято в ближайшем аналоге [2]. Для этого в предлагаемом способе, как и в известных способах [1, 2], используют зависимость набегов фаз принятых радиосигналов от расстояния до источника, но для получения пространственного спектра, определяющего распределение уровня радиоизлучения в пространстве. Каждое значение пространственного спектра определяют путем компенсации расчетных набегов фаз принятых радиосигналов, последующего их сложения и определения амплитуды суммарного радиосигнала. Расчет набегов выполняют для возможного местоположения передатчика и с учетом курсового угла пеленгатора. Выполнение последнего условия необходимо для накопления результатов в единой системе координат. Существенно, что уровень пространственного спектра определяется направлением на соответствующую точку пространства, этот уровень значительно изменяется в ближайшем окружении мобильного пеленгатора, что устраняет причину возникновения нерабочей области вблизи маршрута движения, характерную для ближайшего аналога.

На расстояниях, значительно превышающих размеры антенной решетки, пространственный спектр в радиальном от пеленгатора направлении имеет практически постоянный уровень, с максимумом в направлении на передатчик. Учет зависимости амплитуды напряженности поля источника от расстояния достигается весовой обработкой значений пространственного спектра. Вес пропорционален расчетному ослаблению радиосигнала при распространении его до мобильного пеленгатора. Типовое расчетное ослабление в зоне прямой радиовидимости обратно пропорционально квадрату расстояния между пеленгатором и передатчиком. Последующее накопление взвешенных значений пространственного спектра по совокупности измерений за все время движения пеленгатора и нормировка на среднее квадратичное весов приводит к формированию максимума усредненного пространственного спектра в точке истинных координат передатчика. Следует отметить, что при неизвестной мощности передатчика веса могут быть определены с точностью до зависимости от расстояния, следовательно, операция нормировки принципиально необходима, по крайней мере, для сохранения размерности выходных величин. Возможность определения местоположения передатчика на линии и вблизи линии движения пеленгатора обеспечивается, прежде всего, привлечением информации о зависимости ослабления радиосигнала от расстояния.

Таким образом, получение и использование информации о распределении радиоизлучения во всей области возможного местоположения передатчика с учетом амплитуды и фазы электромагнитного поля, различным образом зависящих от расстояния, в соответствии с предложенными новыми действиями над радиосигналами, условиями и порядком их выполнения, позволяет расширить область применимости способа и повысить точность определения местоположения передатчика.

Поскольку заявленный способ может быть реализован при использовании соответствующего мобильного пеленгатора, то далее описывается характерный состав функциональных элементов такого пеленгатора.

Мобильный пеленгатор (фиг.1), реализующий предложенный способ, содержит антенную решетку 1, радиоприемное устройство 2, навигационную систему 3, анализатор пространственного спектра 4, в состав которого входят формирователь комплексной огибающей 5, арифметическое устройство 6 и блок расчета набегов фаз 7, умножители 8.1, 8.2, блок расчета весов 9, блок накопления 10, блок усреднения 11, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 12.1 и 12.2, сумматоры 13.1 и 13.2, входящие соответственно в блок накопления 10 и в блок усреднения 11, функциональный преобразователь 14 блока усреднения 11, делитель 15 и блок определения максимума 16. Выходы антенной решетки 1 через радиоприемное устройство 2, формирователь комплексной огибающей 5 и первые М входов арифметического устройства 6 анализатора пространственного спектра 4 соединены последовательно. Навигационная система 2 первым и вторым выходами подключена к входам блока расчета набегов фаз 7, а вторым выходом – к входу блока расчета весов 9. Выход блока расчета набегов фаз 7 подключен к М+1-ому входу арифметического устройства 6, выход которого через первый вход умножителя 8.1, первый вход сумматора 13.1, первый вход делителя 15 соединен с входом блока определения максимума 16. Выход сумматора 13.1 блока накопления 10 подключен к входу ОЗУ 12.1, выход которого соединен со вторым входом сумматора 13.1. Выход блока расчета весов 9 подключен ко второму входу умножителя 13.1, первому и второму входу умножителя 13.2, выход которого соединен с первым входом сумматора 13.2 блока усреднения 11. Выход ОЗУ 12.2 этого блока подключен ко второму входу сумматора 13.2, выход которого подключен к входу ОЗУ 12.2 и входу функционального преобразователя 14, выход которого соединен со вторым входом делителя 15. Выходом мобильного пеленгатора является выход блока определения максимума 16.

Указанные элементы содержатся, например, в составе мобильной станции радиоконтроля «Аргумент» [2, с.9-11]: антенная решетка 1, радиоприемное устройство 2, навигационная система 3 – непосредственно, а другие элементы могут быть введены в состав блока аналого-цифровой обработки и вычислительной системы станции.

Прием радиосигналов передатчика выполняют с помощью антенн, образующих кольцевую эквидистантную антенную решетку, и многоканального приемного устройства с числом каналов, равным числу антенн. Антенная решетка содержит М3 антенн с индексами (номерами) m=0, 1, …, М-1. Антенна с индексом (номером) m=0 ориентирована по курсу движения пеленгатора, нумерация других антенн производится по часовой стрелке в порядке возрастания номеров. Курсовой угол получают с первого выхода навигационной системы 3, а по ее второму выходу снимают значения собственных координат мобильного пеленгатора. Прием радиосигналов и измерения в навигационной системе 3 выполняют синхронно. Период измерений Т определяется быстродействием данных блоков и системы последующей обработки. Формирователь комплексной огибающей 5 обеспечивает представление принятых радиосигналов в виде квадратурных составляющих, постоянная времени преобразования равна Т. Предпочтительнее применение цифровых формирователей, например, по варианту, приведенному в [3. Побережский К.С.Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с.67-68, рис.3.14].

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 12.1, 12.2 предназначены для накопления и хранения значений пространственного спектра и весов за все время движения пеленгатора для точек пространства в пределах возможной зоны нахождения передатчика. Координаты точек пространства определяют аналогично принятому в [2], то есть путем равномерного квантования возможных значений координат передатчика. Шаг квантования определяют исходя из обеспечения однозначности регистрации основного пика усредненного пространственного спектра, максимальное значение шага квантования практически не должно превышать величины 100 м. В типовых условиях применения мобильной станции радиоконтроля общее число точек пространства в зоне 10×10 км и объем оперативных запоминающих устройств составляет порядка 10⁴. В исходном состоянии в ОЗУ осуществляют запись нулевых значений.

Принцип последующего функционирования мобильного пеленгатора, в котором реализуется предложенный способ, состоит в следующем.

В процессе движения с помощью навигационной системы 3 периодически измеряют курсовой угол _n и собственные координаты мобильного пеленгатора , где n=1, 2, …, N – номер периода измерения при общем количестве N2, i-мнимая единица. Координаты пеленгатора представлены в декартовой системе координат, в комплексном виде. Одновременно с этим, с помощью антенной решетки 1 и радиоприемного устройства 2, принимают радиосигналы передатчика U_n,m(t), где t – текущее время, m=0, 1, …, М-1 – индекс (номер) антенны, М – число антенн антенной решетки.

В каждом периоде измерения принятые радиосигналы преобразуют с помощью анализатора 4 в пространственный спектр. Для этого:

– в формирователе комплексной огибающей 5 осуществляет квадратурное преобразование принятых радиосигналов

где f – частота радиосигналов, =3,14…;

– в блоке расчета набегов фаз 7 для возможного местоположения передатчика с квантованными координатами , с привязкой к опорному направлению (например, на Север) и с учетом курсового угла _n пеленгатора определяют расчетные набеги фаз принятых радиосигналов

где – длина волны излучения, R – радиус антенной решетки; – направление от пеленгатора в точку пространства с координатами (х, у);

– в арифметическом устройстве 6 расчетные (2) набеги фаз принятых радиосигналов компенсируют, после чего радиосигналы складывают и определяют амплитуду суммарного радиосигнала

Расчет набегов фаз (2) и преобразование (3) осуществляют для всевозможных квантованных значений координат , следовательно, и возможных мест расположения передатчика. Значения пространственного спектра (3) по мере их получения поступают на выход анализатора 4 (выход арифметического устройства 6).

Квадратурные составляющие принятых радиосигналов зависят от взаимного положения передатчика и пеленгатора, в отсутствие шумов и помех их истинные значения равны

где w_n – множитель ослабления при распространении радиосигналов передатчика до пеленгатора, – истинные координаты передатчика.

Величина представляет собой пеленг передатчика из n-ого места расположения пеленгатора, отсчет пеленга производят от линии курса пеленгатора по часовой стрелке. Приближение в (4) выполняется на удалении от пеленгатора много больше радиуса решетки, практически уже на расстоянии свыше 30-50 м.

Ослабление в зоне прямой радиовидимости обратно пропорционально квадрату расстояния между пеленгатором и передатчиком

Параметр определяется совокупностью факторов: мощностью передатчика, действующей высотой и высотой поднятия его антенны, высотой, на которой производится прием радиоизлучения, длиной волны, параметрами подстилающей поверхности и затенений на трассе распространения радиоволн. Как и истинные координаты передатчика, этот параметр неизвестен. Воздействие шумов и помех приводит к флуктуациям уровня принимаемых радиосигналов относительно расчетных по (4), (5), что отражается и на результатах преобразования (1).

Одновременно с расчетом набегов фаз (2) в блоке расчета весов 9 определяют веса пропорциональные расчетному ослаблению радиосигналов передатчика при распространении их до мобильного пеленгатора

Формула (6) отражает обратную квадратичную зависимость поля от расстояния. Однако при наличии, например, картографической информации о рельефе местности могут быть использованы другие известные методики более точного расчета множителя ослабления. В предельном случае возможна установка весов, равных единице, когда учитывается информация только о направлении на передатчик.

Значения пространственного спектра (3) взвешивают с весами, пропорциональными расчетному (6) ослаблению в умножителе 8.1, и накапливают за все время движения пеленгатора в блоке накопления 10. Для этого используют сумматор 13.1 по первому входу, которого поступают текущие значения пространственного спектра, а по второму – накопленные за предыдущие периоды измерения значения, которые хранятся в ОЗУ 12.1. Результаты очередного накопления заносят в ОЗУ 12.1 с выхода сумматора 13,1. Таким образом, реализуется накопление по рекуррентной схеме

Аналогично в блоке усреднения 11 с использованием сумматора 13.2 и ОЗУ 12.2 накапливают квадраты множителей ослабления (весов), получаемых в умножителе 8.2,

Начальное условие обеспечивается записью в ОЗУ нулевых значений в исходном состоянии.

В функциональном преобразователе 14 завершают процесс определения среднего квадратичного значения весов

Результаты накопления взвешенного пространственного спектра (7) нормируют в делителе 15 на среднее квадратичное весов (9) с получением усредненного пространственного спектра

Максимум усредненного пространственного спектра находится в окрестности истинных координат передатчика. На заключительной стадии в блоке 16 определяют местоположение передатчика как положение максимума результатов нормировки, то есть такую точку, в которой

Оценку координат (11) получают с установленным шагом квантования (до 100 м). Уточнение оценки возможно с применением интерполяции значений усредненного пространственного спектра в точке первичной оценки и повторной максимизацией в пределах шага квантования. Так как уточнение местоположения передатчика при этом осуществляют только в окрестности первичной оценки, достигается компромисс между точностью определения местоположения передатчика и временем на проведение расчетных операций.

При поступлении данных очередного измерения указанные операции циклически повторяют, таким образом, в процессе движения мобильного пеленгатора непрерывно уточняют местоположение радиопередатчика.

Эффективность изобретения выражается в расширении области применимости способа, повышении помехозащищенности и точности определения местоположения передатчика.

Количественная оценка выполнена применительно к мобильному пеленгатору, антенная решетка которого состоит из 8 антенн. Радиус решетки 0,5 м, длина волны излучения передатчика 1 м. Период измерений установлен равным Т=1 с. Шаг квантования координат в зоне 10×10 км равен 100 м. Имитировалось движение мобильного пеленгатора по маршруту фиг.2 со скоростью 80 км/час в течение 10 минут. Курсовой угол определялся относительно направления на Север по касательной к траектории движения. Передатчик расположен на линии движения, примерно в третьей части от начального пункта (указано квадратиком на фиг.2). На протяжении всего маршрута установлено постоянное отношение амплитуды сигнала к среднему квадратичному значению помехи, равное 0,5. Такие условия приема приводят к характерным в городских условиях погрешностям единичного пеленгования со средним квадратичным значением около 20° и флуктуациям уровней понимаемых сигналов порядка 60 дБ, что затрудняет определение местоположения источника известными способами. На фиг.3, 4 сплошной линией приведены соответственно линейная ошибка определения местоположения передатчика и ошибка определения направления на передатчик по маршруту движения. Указанные погрешности уменьшаются по мере движения пеленгатора и, в отличие от способа – ближайшего аналога, данные для которого указаны на фиг.3, 4 пунктирной линией, резко сокращаются (с единиц километров до десятков метров) при приближении к передатчику и последующего удаления от него. Такое свойство предлагаемого способа позволяет при поиске передатчика использовать относительно простой метод движения на источник излучения. Сравнительные данные для предлагаемого способа и способа-прототипа получены для идентичных условий наблюдения.

Анализ полученных результатов моделирования показывает также, что площадь рабочей зоны мобильного пеленгатора, вследствие включения в нее участков местности вблизи маршрута движения, увеличивается примерно на 20%. При этом использование информации о распределении радиоизлучения во всей области возможного местоположения передатчика, а не только в направлении максимума радиоизлучения, как это принято в ближайшем аналоге, обеспечивает повышение помехозащищенности при многолучевом распространении радиоволн в условиях города, вследствие чего ошибка определения местоположения передатчика уменьшается в среднем на 40%.

Наибольший эффект от применения предлагаемого способа наблюдается на начальном участке пути и вблизи источника радиоизлучения. Ошибки измерений относительно способа-прототипа при этом снижаются гораздо быстрее по мере движения пеленгатора. Наиболее успешно заявленный способ определения местоположения передатчика мобильным пеленгатором промышленно применим для нахождения местоположения наземных источников радиоизлучения коротковолнового и ультракоротковолнового диапазона в городских условиях.

Формула изобретения

Способ определения местоположения передатчика мобильным пеленгатором, включающий периодическое измерение курсового угла и собственных координат мобильного пеленгатора, синхронно с этим прием радиосигналов передатчика с помощью антенн, образующих антенную решетку, и многоканального приемного устройства, отличающийся тем, что в каждом периоде измерения принятые радиосигналы преобразуют в пространственный спектр путем компенсации их расчетных, с учетом собственных координат и курсового угла мобильного пеленгатора, набегов фаз, последующего сложения радиосигналов и определения амплитуды суммарного радиосигнала, значения полученного пространственного спектра с весами, пропорциональными расчетному ослаблению радиосигналов передатчика при распространении их до мобильного пеленгатора, накапливают за все время движения пеленгатора, нормируют на среднее квадратичное весов с получением усредненного пространственного спектра, а местоположение передатчика определяют по максимуму усредненного пространственного спектра.

РИСУНКИ