Способ определения координат источника электромагнитного излучения

 

Использование: в радионавигации и метеорологии для местоопределения источников электромагнитного излучения искусственного или природного происхождения, расположенных в пространстве. Сущность изобретения: прием электромагнитных сигналов осуществляется не менее, чем в восьми точках, расположенных по окружности на концах взаимно-перпендикулярных диаметров. Разности времен прихода измеряют между сигналами прямых лучей, принятых в точках, расположенных на одном диаметре. Наклонную дальность до источника излучения определяют путем минимизации функционала, включающего измеренные разности времен прихода сигналов и разности времен прихода сигналов, соответствующие набору значений наклонных дальностей. Приведены математические формулы для определения пеленга и угла места источника излучения. 4 ил.

Изобретение относится к области радионавигации и метеорологии и может быть использовано при решении задач однопунктового местоопределения источников электромагнитного излучения (ЭМИ) искусственного или природного происхождения (например, молниевых разрядов), расположенных в пространстве. Кроме того, на основе сущности и геометрических принципов разработанного способа можно определять координаты источников различного физического происхождения: света, звука и т.д.

Цель изобретения повышение точности определения координат источника электромагнитного излучения за счет инвариантности к приподнятости излучателя и к условиям распространения радиоволн в волноводе "Земля-ионосфера".

Указанная цель достигается тем, что при расчете координат источника используется принцип "наведения на цель по лучу". Определяется луч на цель, который является прямой, проходящей через источник. Таким образом фиксируется не только пеленг, но и угол места излучателя. Определение угла места новый отличительный признак от прототипа, способствующий вычислению высоты приподнятых излучателей и тем самым обеспечивающий достижение поставленной цели.

Для определения расстояния (наклонной дальности) имитируется движение излучателя по лучу. Для каждого местоположения излучателя на луче вычисляется соответствующее ему значение некоторого функционала. Местоположением источника будет считаться точка на луче с минимальным значением функционала. Фиксируются координаты этой точки. Используются несколько датчиков (антенн) электромагнитного поля, которые представляют собой антенную систему типа "антенная решетка". В общем случае датчики могут быть расположены как в одной плоскости, так и в пространстве, образуя фигуры произвольной геометрической формы. В формуле изобретения описан частный случай расположения датчиков по окружности на поверхности земли.

В предлагаемом способе осуществляется измерение разностей времен приходов сигналов, зарегистрированных датчиками. Два датчика, между сигналами которых вычисляется одно значение разности времени, принадлежат одному диаметру. Этот частный случай приведен в формуле изобретения. Измерению подлежат только сигналы прямых лучей, то есть лучей, соединяющих излучатель и приемные датчики по кратчайшему расстоянию. Вследствие этого сигнал, отраженный от ионосферы, не участвует в измерениях, что обеспечивает инвариантность способа к высоте отражающего слоя и к возмущениям волновода "Земля-ионосфера".

Вид функционала определяется по критерию максимально-правдоподобной оценки координат, что обеспечивает потенциально возможную точность предлагаемого способа, основанного на измерении разности времен приходов сигнала. Методическая погрешность в данном случае отсутствует. В функционал входят измеренные и расчетные разности времен приходов сигнала. Расчетные разности вычисляются при имитационном движении излучателя по лучу и прямо пропорциональны разностям длин прямых лучей. Вид функционала получен из предположения о независимости ошибок измерения разностей времен прихода.

На фиг. 1 изображена антенная система типа "дифракционная решетка". Датчики электромагнитного поля 1, 2, 3.n.1, ζ, a, g.m, k расположены по окружности. Диаметры, на концах которых расположены датчики, пронумерованы 1, 2, 3.Р.Q. Углы поворота диаметров с номерами Р и Q относительно горизонтальной оси ОХ v_p, ϕ_Q Все диаметры попарно перпендикулярны, например, Р и Q диаметры.

На фиг. 2 иллюстрируется местоопределение излучателя методом "наведения на цель по лучу": точка С местоположение излучателя; X_и, Y_и, Z_и координаты излучателя; ОС луч, восстановленный в пространстве на источник; пеленг; угол места; точка Д одно из местоположений при имитационном движении излучателя по лучу, соответствующее моменту времени t_j.

На фиг. 2 показаны лучи от источника только на одну пару датчиков m и n (лучи mC, nC). Лучи от излучателя при его имитационном движении по прямой ОС обозначены mД, nД.

На фиг. 3 изображена схема устройства, реализующего предложенный способ, а на фиг. 4 диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Предложенный способ характеризуется следующей последовательностью операций.

1. Принимают электромагнитные сигналы от источника излучения. Сигналы принимают антенной системой, состоящей из нескольких датчиков электромагнитного поля. Для обеспечения круговой диаграммы направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости количество датчиков должно быть не менее восьми. Датчики располагаются по окружности (Фиг. 1, номера датчиков 1, 2, 3.n.1, ζ, a, g, m.k) и находятся на концах взаимно перпендикулярных диаметров (например, Фиг. 1, датчики k, l, m, n; номера диаметров Q, Р). Длина диаметра окружности, на которой расположены датчики, выбирается от нескольких десятков до единиц сотен метров.

2. Измеряют разности времен приходов сигнала.

Разности времен измеряют между сигналами прямых лучей принятых датчиками, расположенными на концах одного диаметра (например, Фиг. 1, пара датчиков m и n).

3. Определяют пеленг и угол места на источник излучения (Фиг. 2, углы q, b) по формулам: где Θ пеленг; i текущий номер диаметра, на концах которого расположены датчики. Между сигналами этих датчиков определяют разность времени прихода;
Δtⁱ измеренная разность времен приходов сигнала на датчики i-го диаметра;
ϕ_i угол поворота i-го диаметра относительно горизонтальной оси ОХ (Фиг. 1).

где: β угол места;
U скорость света;
K количество датчиков;
d диаметр окружности.

4. Последовательно для каждой пробной точки пространства вычисляют значение функционала. Пробные точки пространства выбираются из условия принадлежности их лучу, указывающему на цель (источник излучения), Фиг. 2, ОС.

Координаты этих точек рассчитывают по формулам:
X(t_j)=R(t_j)·cosβ·sinΘ (4)
Y(t_j)=R(t_j)·cosβ·cosΘ (5)
Z(t_j)=R(t_j)·sinβ (6)
где: X(t_j), Y(t_j), Z(t_j) текущие координаты местоположений излучателя при его имитационном движении по лучу ОС в момент времени t_j (например, точка Д, Фиг. 2);
R(t_j) расстояние (наклонная дальность) по лучу ОС от центра антенной решетки до текущей пробной точки (Фиг. 2, точка Д) в момент времени t_j. Длина отрезка ОД равняется R(t_j);
Θ, b пеленг и угол места источника, Фиг. 2.

Значение функционала в каждой точке рассчитывают по формуле:

где: Δtⁱ измеренная разность времени прихода сигнала источника излучения на датчики i-го диаметра (например, разность лучей mC и nC, Фиг. 2).

Δtⁱ(t_j) расчетная разность времени прихода сигнала на датчики i-го диаметра при имитационном движении излучателя по лучу ОС на момент времени t_j (например, разность лучей mД и nД, Фиг. 2).

где: Xⁱ_o, Yⁱ_o/ , Zⁱ_o, Xⁱ_oo, Yⁱ_oo, Zⁱ_oo координаты датчиков i-го диаметра;
U скорость света.

5. Путем сравнения функционалов находят минимальный и фиксируют наклонную дальность до точки на луче, которой этот функционал соответствует. Местоположение этой точки принимают за координаты источника излучения.

Как пример технической реализации способа, на фиг. 3 представлена структурная схема устройства, его реализующая. Устройство работает следующим образом. Зарегистрированные сигналы (Фиг. 4а, Δtⁱ)) с каждой пары электромагнитных датчиков 1.4 поступают на блоки 5,6, определяющие разность времени прихода (Фиг. 4, Δtⁱ)). Блоки 5,6 могут реализовать различные стандартные методы вычисления разности времени, например, пороговый, корреляционный или по нулевым переходам. Напряжение, величина которого пропорциональна разности времени, с выходов блоков 5,6 (Фиг. 4с) подается на блоки 7.10, вычисляющие произведение разности времени с синусом или косинусом углов поворота диаметров, согласно формуле (2). Значение синусов, косинусов и сами углы поворота являются величинами постоянными и подаются с наборного поля 25, выходы А, D, Е. Далее сумматоры 11, 12 и блок 13, вычисляющий арктангенс в соответствии с (2), рассчитывают значение пеленга. Значение пеленга с выхода блока 13 поступает на входы блоков 14,15, определяющих произведение величины по (3). На другие входы блоков 14,15 поступают разности времени с выходов блоков 5,6 и величины углов поворотов диаметров (выход Е, блок 25). Сумматор 16 и блок вычисления арксинуса 17, в соответствии с (3), рассчитывают угол места излучателя. Блок 19 моделирует текущие координаты излучателя при его имитационном движении по лучу согласно (4), (5), (6). На вход блока 19 поступают значения пеленга и угла места с выходов блоков 13,17. На вход блока 19 также поступает линейно-изменяющееся напряжение (Фиг. 4,d) с выхода блока 18, имитирующего увеличение наклонной дальности при "скольжении" источника по лучу. Координаты движущегося по лучу источника поступают на блоки 20, 21, где определяются расчетные разности времени прихода сигнала в соответствии с (8). В блоки 20,21 поступают также значения координат датчиков с наборного поля 26, выход Т. В блоке 22 рассчитывается функционал по (7). Измеренные разности времен прихода сигнала, необходимые для работы блока 22, поступают с выходов блоков 5,6, выход F. Блоки 22,23 необходимы для определения временного положения минимума функционала Ф (Фиг. 4е, t_min). После блока 22 функционал дифференцируется в блоке 23, фиг. 4е. Выходное напряжение с блока 23 подается на блок 24 выделения нулевых переходов, Фиг. 4f. Временное положение импульса, полученного на выходе блока 24, Фиг. 4g, соответствует по времени обнаружению минимума функционала, Фиг. 4е, t_min. Факт обнаружения минимума является признаком совпадения координат "движущегося" по лучу источника с его истинным местоположением. Поэтому с выхода блока 24 импульс поступает на блок 18 для останова генерации линейно-изменяющегося напряжения и фиксации координат источника блоком 19, выходы Хи, Yи, Zи.

Возможности предложенного способа подтверждены как экспериментально, так и методами математического моделирования. Эксперимент проводился с помощью макета, реализующего метод "наведения на цель по лучу" и проводилась регистрация сигналов в диапазоне средних волн (300 кГ-.3 мГц) на удалениях 10.100 км от излучателя. Для определения разностей времен прихода применялся взаиимокорреляционный способ. Экспериментальные исследования показали, что при уровнях напряженности полей единицы в/м, среднеквадратическое отклонение разностей времен приходов сигнала равно 0,5 наносекунд. При использовании антенной решетки из 16 датчиков (радиус круговой решетки 400 м), среднеквадратическая ошибка местоопределения источника на удалении 100 км составляет единицы км, а ближе 50 км ошибка десятки и сотни метров.

Значительным преимуществом предложенного способа является возможность местоопределения излучателей различных частотных диапазонов, в то время как аналог может работать лишь в диапазоне сверхдлинных (СДВ) и длинных (ДВ) (длина волн десятки и сотни км) волн.

Для прототипа наиболее целесообразным диапазоном является также СДВ и ДВ, так как в диапазоне средних волн ионосферные отражения практически появляются только ночью. А в диапазоне коротких волн скачки ионосферных сигналов настолько велики, что существует "мертвая зона" в несколько сот километров от излучателя, в которой отражение не регистрируется. Для предложенного способа, в отличие от аналога и прототипа, ограничений на частотный диапазон источника не существует.

Формула изобретения

Способ определения координат источника электромагнитного излучения, заключающийся в том, что принимают электромагнитные сигналы от источника излучения, измеряют разности времен прихода сигналов и определяют координаты источника излучения расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения координат, прием электромагнитных сигналов осуществляют не менее чем в 8 точках, расположенных по окружности на концах взаимно перпендикулярных диаметров, разности времен прихода измеряют между сигналами прямых лучей, принятыми в точках, расположенных на одном диаметре, наклонную дальность до источника излучения определяют путем минимизации функционала, включающего измеренные разности времен прихода сигналов и разности времен прихода сигналов, соответствующие набору значений наклонных дальностей, а пеленг Θ и угол места b источника излучения определяют по формулам


где Δt₁ измеренная разность времен прихода сигналов на точки, расположенные на i-м диаметре;
ϕ_i угол поворота i-го диаметра относительно оси OX;
с скорость света;
К количество точек приема;
d диаметр окружности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4