Способ определения местоположения источников электромагнитных сигналов

Изобретение относится к радиотехническим способам локации излучателей, создающих помехи работе сотовой связи, с помощью самих средств мобильной сотовой связи. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения местоположения источников электромагнитных сигналов, являющихся помехами работе сотовой связи. Определение местоположения источника помех, состоящее в определении координат центра и в оценке радиуса зоны его местонахождения, осуществляется путем статистической обработки (вычислении среднего значения и стандартного отклонения) результатов позиционирования тех мобильных телефонов, связь между которыми нарушалась из-за помех. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиотехническим средствам определения местоположения источников электромагнитных сигналов, в частности излучателей помех как естественных, так и постановщиков помех, нарушающих работу радиоэлектронной связи.

Известны способы местоопределения излучателей помех, например ударов молний, которые осуществляются многопунктовыми системами грозолокации. В состав последних входят территориально разнесенные приемники импульсного электромагнитного сигнала грозового разряда (атмосферика), анализаторы формы атмосферика как функции времени или пеленгаторы [1] и специальные линии связи между ними и центром обработки данных.

В качестве аналога предлагаемого изобретения примем разностно-дальномерный способ - т.н. ТОА (ТОА-Time-Of-Amval - время прибытия) - способ определения мест ударов молний [2], которые являются источниками помех. Этот способ основан на определении разности моментов времени приема импульсного сигнала атмосферика не менее чем в трех парах приемных пунктов. Этот способ заключается в том, что в каждом из пунктов принимают сверхдлинноволновый электромагнитный сигнал атмосферика на всенаправленную электрическую антенну; усиливают этот сигнал в широкой полосе частот; определяют момент времени его приема. Для каждой пары приемных пунктов определяют разность моментов времени приема этого сигнала приемными пунктами; по этой разности определяют разность расстояний от этих двух пунктов до места удара молнии; определяют гиперболическую позиционную линию, проходящую через место удара молнии; определяют место излучения атмосферика как место пересечения двух (не менее чем двух) гиперболических позиционных линий. Моментом приема атмосферика считают первый из моментов времени приема атмосферика в одном из приемных пунктов.

Недостатком аналога является необходимость создания громоздкой дорогостоящей системы специализированных приемных пунктов для определения моментов времени приема атмосфериков, а также создания специализированных линий связи и обрабатывающих центров для анализа получаемых данных.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ТОА-способ позиционирования мобильных телефонов, используемый в системах мобильной сотовой связи.

При позиционировании мобильных телефонов осуществляют следующие операции: определяют моменты времени приема сигнала передатчика мобильного телефона в трех (или более) базовых станциях сети сотовой связи, часы которых синхронизированы друг с другом; эти данные передают в центр локализации мобильных телефонов [3], в котором по разности моментов времени прихода сигнала в базовые станции вычисляют гиперболические позиционные линии положения передатчика мобильного телефона.

Недостатком прототипа является то, что он может устанавливать местонахождения мобильных телефонов, работа которых нарушена помехами, но не устанавливает непосредственно местонахождение источника помех работе сотовой связи.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа-прототипа путем обеспечения возможности определения местоположения источников электромагнитных сигналов, являющихся помехами работе сотовой связи.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения местонахождения источников электромагнитных сигналов, включающем

определение моментов времени приема сигнала передатчика мобильного телефона в трех (или более) базовых станциях сети сотовой связи;

вычисление разностей моментов времени приема этого сигнала базовыми станциями;

определение гиперболических позиционных линий, соответствующих разностям моментов времени приема этого сигнала базовыми станциями;

вычисление координат точки пересечения этих позиционных линий,

согласно изобретению

фиксируют моменты времени Т нарушений связи какой-либо пары абонентов сети сотовой связи и обрабатывают их;

осуществляют позиционирование каждого из двух абонентов, между которым нарушилась связь в момент времени Т;

фиксируют результаты позиционирования X, Y мобильных телефонов, связь с которыми нарушалась в момент времени Т;

формируют массив текущих данных T, X, Y, занося в него момент времени Т и декартовы координаты X, Y позиционирования абонента в момент времени Т, если удаление dRk=((X-Xk)²+(Y-Yk)²)^1/2 точки (X, Y) от точек (Xk, Yk), ранее занесенных в массив текущих данных, не превосходит Rmax для каждого k=1,2, ... i-1; (если dRk>Rmax, то значения T, X, Y не учитываются. Rmax=100 км по метеоданным);

группы значений (T, X, Y) нумеруют индексами i=1, 2, 3, ... в порядке поступления этих групп текущих данных;

по достижении заранее заданного числа n зафиксированных нарушений связи очередной группе значений (T, X, Y) присваивают номер i=1, номера всех остальных групп значений (T, X, Y) увеличивают на единицу, а группу значений (T_n+2, X_n+2, Y_n+2) исключают из массива текущих данных;

вычисляют средние значения Xj и Yj координат точек (Xi, Yi), которые нумеруют индексом j=1, 2, 3, ... в порядке осуществления этих вычислений Xj=(Σⁿ _i+1, Xi)/n, Yj=(Σ^m _i+1 Yi)/n;

определяют центр зоны местоположения источника помех как точку (Xj, Yj);

для каждой точки (Xi, Yi) вычисляют ее расстояние Ri=((Xi-Xj)²+(Yi-YJ)²)^1/2 от точки (Xj, Yj). Если оно превосходит Rmax, то числа Xi и Yi исключают из рассмотрения и заменяют числами Xj и Yj;

дают среднеквадратичную оценку радиуса Rj=((Σⁿ _i+1 Ri²)/n)^l/2 зоны местонахождения источника помех.

Новым в предложенном способе определения местоположения источников электромагнитных сигналов по сравнению с прототипом являются дополнительные операции по фиксации моментов времени нарушения связи и фиксации местонахождения абонентов, с которыми нарушалась связь в эти моменты, и обработка этих данных, позволяющая установить центр и радиус зоны поражения системы сотовой связи.

На чертеже приведен пример соотношения мест ударов молний (х) результатов позиционирования (о) абонентов, связь с которыми нарушалась из-за грозы, а также радиуса r max, центра (Xj, Yj) и радиуса Rj области нарушения связи.

Источники электромагнитных колебаний подразделяются по своему происхождению на природные и техногенные. Из числа природных источников излучения наибольший интерес представляют грозовые очаги. Грозовой очаг - это опасное явление природы - область, в пределах которой происходят разряды атмосферного электричества. Она занимает много места в пространстве и времени.

Ее большая протяженность в пространстве позволяет не требовать высокой точности определения границ грозового очага. Ее большая протяженность во времени - длительность грозы - позволяет накопить за время грозы большой фактический материал о зарождении, перемещении и затухании грозового очага и осуществить обработку этого материала в натуральном масштабе времени.

О том, что произошел разряд атмосферного электричества судят по его последствиям:

акустическому сигналу (гром),

световому сигналу (вспышка молнии),

электрическому (удар молнии),

электромагнитному сигналу (атмосферик).

Последние два из этих последствий таят в себе опасность для человека, а их проявления наносят ущерб народному хозяйству.

Удар молнии вызывает лесной пожар, выводит из строя линии электропередач. Поражение молнией летательного аппарата приводит к тяжелым аварийным последствиям. Электромагнитный импульс атмосферика нарушает работу электронной аппаратуры. Поэтому местоопределение грозовых очагов и слежение за их перемещением необходимо для гражданской авиации, службы охраны лесов от пожаров и защиты линий электропередач от поражения молниями.

В настоящее время местоопределение ударов молний, образующих грозовой очаг, осуществляется многопунктовыми системами грозолокации. В состав последних входят территориально разнесенные приемники импульсного электромагнитного сигнала грозового разряда (атмосферика), анализаторы формы атмосферика как функции времени или пеленгаторы, а также специальные линии связи между ними и центрами обработки данных.

Представляет интерес создание таких систем грозолокации, для которых не требовалось бы ни создания системы приема атмосфериков или пеленгаторов, ни специализированных линий связи, ни постройки специальных центров обработки данных.

Решение этой задачи становится возможным путем использования штатных средств бурно развивающихся в настоящее время мобильных систем сотовой связи, которые предоставляют своим абонентам широкий спектр разнообразных услуг.

Представление о грозовом очаге формируется на основе анализа совокупности сведений о местах и моментах времени некоторого числа ударов молний. Понятие грозового очага интуитивно ясно. Но дадим и формальное определение: грозовым очагом является замкнутая область трехмерного пространства поверхность земли - время, в пределах которого происходят разряды атмосферного электричества.

Мощные разряды атмосферного электричества вблизи мобильного телефона нарушают синхронизм работы мобильника с ближайшей к нему базовой станцией сотовой связи. Это обстоятельство позволяет судить о том, что в пределах соты или вне ее, но вблизи от нее, произошел удар молнии, и когда именно. Факт и момент нарушения связи между парой абонентов всегда фиксируется штатными средствами сотовой связи.

Позиционирование абонентов, между которыми нарушалась на какое-то время связь, т.е. местоопределение концов нарушенной линии связи, также может фиксироваться системой сотовой связи [3].

Накопление этих сведений в течение грозы и их статистическая обработка позволяет уточнить местоположение грозового очага, вызвавшего нарушения в работе сотовой связи.

Поэтому вместо сведений о месте и моменте удара молнии можно использовать сведения о местонахождении абонентов, связь между которыми которым нарушалась из-за грозы, и о моменте времени нарушения связи.

В случае электромагнитных излучений техногенного происхождения ситуация аналогична той, которая возникает при излучении атмосфериков грозовым очагом. В том и другом случае электромагнитное излучение создает помехи работе радиоэлектронной аппаратуры.

Фиксация мест нарушения работы радиоэлектронной аппаратуры позволяет выявить зону действия источника электромагнитных помех, в данном случае техногенного происхождения, например постановщика помех. Эти нарушения могут быть не менее серьезными, чем порождаемые грозой.

Определяя центр и радиус зоны действия источника помех по тем же правилам, что центр и радиус грозового очага, определяем тем самым центр и радиус зоны, в пределах которой находится искомый техногенный источник электромагнитного излучения.

Мобильный телефон всегда связан с несколькими ближайшими к нему базовыми станциями, чтобы не потерять связь с ними при его перемещении из одной соты в другую. В результате в вычислительном центре сети сотовой связи всегда известно местонахождение мобильного телефона, с которым сеть поддерживает связь. Чтобы обеспечить работу передатчика, может производиться негласное дистанционное активирование мобильного телефона [3].

Факт нарушения связи используем как индикатор того, что имело место излучение помехи.

Штатными средствами сотовой связи фиксируется как сам факт нарушения связи на какое-то время, так и момент нарушения связи между парой абонентов. Кроме того, может осуществляться позиционирование каждого из абонентов, между которыми нарушалась связь, т.е. местоопределение концов нарушенной линии связи. Эти сведения всегда имеются у диспетчерской службы сотовой связи.

Поэтому вместо сведений о месте и моменте излучения помехи можно использовать сведения о местонахождении пар абонентов, сотовая связь между которыми нарушалась помехой, и о моменте нарушения связи между этой парой абонентов. Допустимость такой замены обоснована экспериментально.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность операций:

1. Фиксируют момент времени Т нарушения синхронизма в работе линии сотовой связи какой-либо пары абонентов.

2. Осуществляют позиционирование этих абонентов (если абонент находится вне намеченных границ зоны поиска источника помех, то результат позиционирования этого абонента игнорируют, т.е. никак не используют).

3. Момент времени Т и декартовы координаты X, Y позиционирования абонентов (абонента) в момент Т заносят в массив текущих данных, если расстояния dRk=((X-Xk)²+(Y-Yk)²)^1/2 точки (X, Y) от точек (Xk, Yk), ранее занесенных и массив текущих данных, не превосходят Rmax для каждого k=1, 2, ... i-1. Группы значений (T, X, Y) нумеруют индексом i=1, 2, 3, ... в порядке занесения этих групп в массив текущих данных; (если dRk>Rmax, то значения T, X, Y не учитываются).

4. По достижении некоторого заранее заданного числа n зафиксированных нарушений синхронизма очередной группе значений (T, X, Y) присваивают номер i=1, все остальные номера значений T,X,Y увеличивают на единицу, а группу значений (T_n+2, X_n+2, Y_n+2) исключают из массива текущих данных.

5. Вычисляют средние значения Xj, Yj координат точек (Xi, Yi), которые нумеруют индексом j=1, 2, 3, ... в порядке осуществления этих вычислений Xj=(Σⁿ _i+1 Xi)/n, Yj=(Σⁿ _i+1Yi)/n, и определяют центр зоны местонахождения источника помех как точку (Xj, Yj).

6. Для каждой точки (Xi, Yi) вычисляют ее расстояние Ri=((Xi-Xj)²+(Yi-Yj)²)^1/2 от точки (Xj, Yj), и если оно превосходит Rmax, то числа Xi и Yi исключают из рассмотрения и заменяют числами Xj и Yj.

7. Дают среднеквадратичную оценку радиуса зоны местонахождения источника помех Rj=((Σⁿ _i+1Ri²)/n)^1/2.

Примером реализации предлагаемого способа для локации источника помех работе сотовой связи является локация грозового очага как природного источника помех работе сотовой связи.

В течение грозового сезона 2004 года в Подмосковье осуществлялось наблюдение за работой сотовой системы мобильной связи МТС в условиях гроз. Считалось, что нарушения связи вызывались нарушениями работы мобильных телефонов, а не связи базовых станций между собой, потому что эти станции оснащены более мощной передающей и более защищенной от помех приемной аппаратурой, чем мобильный телефон, и предусмотрена возможность найти обходной путь, минуя поврежденный участок.

Было установлено, что мощный грозовой очаг, создающий поток атмосфериков плотностью не менее 3 имп./мин, вызывает нарушение синхронизма работы мобильного телефона с пунктом сотовой связи после каждого молниевого разряда, фиксируемого визуально.

О нарушении синхронизма свидетельствовало характерное короткое шипение, прослушиваемое в мобильном телефоне и длящееся менее секунды, в течение которого идет процесс восстановления синхронизма.

Расстояние г между мобильным телефоном, с которым нарушилась связь, и местом удара молнии определялось по запаздыванию акустического сигнала молниевого разряда относительно оптического, исходя из соотношения 1 км - 3 сек. Различия более r max=10 км между местами ударов молний и местонахождением мобильного телефона, которое было известно, не наблюдались. Эти различия меньше типичных размеров грозовых очагов, и пренебрежение этими различиями не вносит существенной погрешности в локацию грозовых очагов (см. чертеж).

Размеры грозовых очагов зависят от их происхождения. Грозы бывают тепловыми или фронтальными. Габаритные размеры 2Rmax грозовых очагов теплового происхождения достигают нескольких десятков или сотню километров. Протяженность грозовых очагов фронтального происхождения достигает нескольких сотен километров, а поперечник - также нескольких десятков или сотню километров.

При реализации предложенного способа определения местоположения источников помех не требуется установки дополнительной аппаратуры по сравнению со штатной аппаратурой мобильной сотовой связи.

Технический результат предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоит в расширении функциональных возможностей мобильной сотовой связи путем обеспечения возможности определения местонахождения источников помех, в частности грозовых разрядов, без дополнительных затрат на дорогостоящее оборудование и, кроме того, в выделении зоны нарушения связи.

Источники информации

1. Махоткин Л.Г., Асташенко А.И. Физические основы методов пеленгации грозовых очагов и их техническая реализация // Труды ГГО, 1965, вып.177.

2. Casper P.W. The LPATS Time of Arrival Lightning Positioning System // Proc. 20-th Int. Conf. on Lightning Protection 24-29 сент. 1994, Интерлакен, Швейцария.

3. Рыжиков С.С., Рыжиков А.С. Обзор современных систем позиционирования мобильных телефонов // Специальная техника, №6, 2001, с.28-36.

Способ определения местоположения источников электромагнитных сигналов, включающий определение моментов времени приема сигнала передатчика мобильного телефона в трех или более базовых станциях сети сотовой связи, вычисление разностей моментов времени приема этого сигнала базовыми станциями, определение гиперболических позиционных линий, соответствующих вычисленным разностям моментов времени приема этого сигнала базовыми станциями, вычисление координат точки пересечения этих гиперболических позиционных линий, отличающийся тем, что фиксируют моменты времени Т нарушений связи какой-либо пары абонентов мобильной сети сотовой связи, осуществляют позиционирование каждого из двух абонентов, между которым нарушилась связь в момент времени Т, фиксируют результаты позиционирования X, Y мобильных телефонов, связь с которыми нарушалась в момент времени Т, формируют массив текущих данных T, X, Y, занося в него момент времени Т и декартовы координаты X, Y позиционирования этих абонентов в момент времени Т, если удаление Rk=((X-Xk)²+(Y-Yk)²)^1/2 точки (X, Y) от точек (Xk, Yk), ранее занесенных в массив текущих данных, не превосходит Rmax для каждого k=1, 2, ..., i-1, где Rmax=100 км, группы значений (T, X, Y) нумеруют индексами i=1, 2, 3, ... в порядке поступления этих групп текущих данных, по достижении заранее заданного числа n зафиксированных нарушений связи очередной группе значений (T, X, Y) присваивают номер i=1, номера всех остальных групп значений (T, X, Y) увеличивают на единицу, а группу значений (T_n+1, X_n+1, Y_n+1) исключают из массива текущих данных, вычисляют средние значения Xj и Yj координат точек (Xi, Yi), которые нумеруют индексом j=1, 2, 3, ... в порядке осуществления этих вычислений Xj=(Σⁿ _i+1, Xi)/n, Yj=(Σⁿ _i+1 Yi)/n, определяют центр зоны местоположения источника помех как точку (Xj, Yj), для каждой точки (Xi, Yi) вычисляют ее расстояние Ri=((Xi-Xj)+(Yi-YJ)²)^1/2 от точки (Xj, Yj), если оно превосходит Rmax, то числа Xi и Yi исключают из рассмотрения и заменяют числами Xj и Yj, дают среднеквадратичную оценку радиуса Rj=((Σⁿ _i+1 Ri²/n)^1/2 зоны местонахождения источника помех.