Дихотомический мультипликативный разностно-относительный способ мобильного определения координат местоположения источника радиоизлучения

Изобретение относится к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения. Достигаемый технический результат - определение пространственных координат местоположения стационарных источников радиоизлучений (ИРИ) одним мобильным постом радиоконтроля. Способ основан на использовании измерений мобильным постом радиоконтроля значений уровней сигналов на каждой из назначенных частот в трех точках пространства и преобразовании в попарную мультипликативную разность их обратных отношений и отношений расстояний от точек измерения до источника радиоизлучения. Для обработки составленных мультипликативных разностей указанных отношений предложен дихотомический способ. В его основе лежит принцип последовательного определения параметров местоположения ИРИ: широты - Xi, долготы - Yi и высоты - Zi по критерию поиска минимума разностей отношений расстояний местоположения ИРИ до точек измерения, не расположенных на одной прямой, и соответствующих обратных отношений величин измеренных уровней сигналов. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения пространственного местоположения стационарных источников радиоизлучения (ИРИ), сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственных радиочастотных служб или государственных служб надзора за связью). Изобретение может быть использовано при поиске местоположения несанкционированных средств радиосвязи, как возможных источников помех связи.

Известны способы определения координат ИРИ, в которых используются пассивные пеленгаторы в количестве не менее трех, центр тяжести области пересечения выявленных азимутов которых на фронт прихода волны принимается за оценку местоположения. Основными принципами работы таких пеленгаторов являются амплитудные, фазовые и интерферометрические [1, 2]. К их недостаткам следует отнести высокую степень сложности антенных систем, коммутационных устройств и наличие многоканальных радиоприемников, а также необходимость в быстродействующих системах обработки информации.

Наличие в федеральных округах государственной радиочастотной службы взаимосвязанных через центральный пункт разветвленной сети радиоконтрольных постов, оборудованных средствами приема радиосигналов, измерения и обработки их параметров, позволяет дополнить их функции и задачами определения местоположения тех ИРИ, сведения о которых отсутствуют в базе данных, не прибегая к использованию сложных и дорогостоящих пеленгаторов. Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по технической сущности является способ [3], заключающийся в приеме сигналов источников радиоизлучений в полосе частот ΔF перемещающимся в пространстве измерителем. При перемещении измерителя измеряют уровни сигналов в N (N≥4) точках, последовательно вычисляют N-1 отношения уровней сигнала, по вычисленным отношениям строят N-1 круговых линий положения и определяют координаты источников радиоизлучения как точку пересечения N-1 круговых линий положения. Для повышения достоверности определения местоположения используют статистику.

Основные недостатки прототипа.

1. Алгоритмическая противоречивость и незавершенность его реализации во времени. Действительно, утверждение о нахождении координат источников радиоизлучения как точки пересечения N-1 (N≥4) круговых линий положения вступает в противоречие с необходимостью уточнения этих координат статистическим путем. Так как N в формуле изобретения сверху не ограничено, то координаты ИРИ как координаты точки пересечения неограниченного количества круговых линий положения будут определяться с неограниченно высокой точностью. И, следовательно, в статистическом уточнении не нуждаются. Но, если утверждается, что необходимо статистическое уточнение местоположения, то тем самым отрицается возможность пересечения в одной точке неограниченного количества круговых линий положения. И последнее ближе к действительности, так как приборов и способов измерения с неограниченно высокой точностью не существует.

2. Принципиальная трудность нахождения координат точки пересечения N-1 (N≥4) круговых линий положения путем непосредственного решения системы уравнений, их описывающих. Действительно, согласно [4, с.66] общее уравнение окружности в декартовых прямоугольных координатах имеет вид:

x²+y²+Ax+By+C=0.

И при этом «все окружности, проходящие через действительные или мнимые точки пересечения двух окружностей, определяются уравнением:

где λ - параметр».

Пусть окружности заданы уравнениями:

Эта система трех уравнений любых окружностей, в том числе и Аполлония, о котором упоминается в [3], имеет одно решение, то есть окружности пересекаются в одной точке только в том случае, если детерминант системы равен нулю. А это возможно, согласно [4, с.66], если одно из трех уравнений получено из двух других указанным образом. При этом коэффициенты этого производного уравнения, пусть для определенности это будет уравнение Scd, должны определяться как:

A3=(A1+λA2)/(1+λ), B3=(B1+λB2)/(1+λ), С3=(C1+λC2)/(1+λ).

Детерминант такой системы

действительно равен нулю, а следовательно, третья окружность может пройти через точку пересечения первых двух окружностей только при строго определенной связи с ними.

Предыдущее утверждение подкрепляется и положением, основанным на том, что дуги окружностей в окрестности точки их пересечения (или касательные к окружностям в этой точке) могут рассматриваться как три пересекающиеся прямые. В этой связи, согласно [4, с.59, п. g], высказывание: «Для того, чтобы три прямые A1x+B1y+C1=0, A2x+B2y+C2=0, A3x+B3y+C3=0 пересекались в одной точке или были параллельны, необходимо и достаточно, чтобы

т.е. чтобы левые части уравнений были линейно зависимы», - действительно подкрепляет предыдущее утверждение. Решение системы уравнений трех окружностей без наложения указанных условий может быть достигнуто, но только на других принципах, один из которых, как наиболее простой, предлагается авторами настоящей заявки.

3. Количество точек измерения уровней сигналов N≥4, что для получения одного отсчета координат местоположения является избыточным.

4. Наличие сингулярности круговых линий положения (окружностей Аполлония Пергского) при близких значениях уровней сигналов в точках их измерения, приводящее к большой погрешности определения координат местоположения ИРИ.

5. Прототип не позволяет определять координаты местоположения пространственных ИРИ.

Целью настоящего изобретения является разработка способа определения координат местоположения на существующих радиоконтрольных постах Радиочастотной службы Российской Федерации, в котором устранены недостатки прототипа.

Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ, основанный на измерении уровней сигналов радиоизлучений в нескольких точках пространства, не лежащих на одной прямой сканирующими радиоприемными устройствами, перемещающимися в пространстве, и отличительных признаков: для измерения уровней сигналов радиоизлучений ИРИ используют M≥3 точек измерения, находящихся в зоне электромагнитной доступности поста, составляют попарных мультипликативных уравнений разностей попарных отношений расстояний от точек измерения до местоположения искомого источника радиоизлучения, полученных для заданных из известного диапазона значений широт, долгот и высот искомого местоположения источника радиоизлучения, и соответствующих попарных обратных отношений величин уровней сигналов источника, а также составляют мультипликативных уравнений таких же разностей отношений для всех точек измерения, взятых по три, дихотомически изменяют последовательно значение каждого из параметров местоположения источника радиоизлучения при неизменных значениях двух других и находят точки экстремумов мультипликативных уравнений каждой пары точек измерения и точки перегиба мультипликативных уравнений для всех точек измерения, взятых по три, фиксируя после суммарного N кратного усреднения каждый найденный в этих точках параметр местоположения источника, как окончательный.

В основе способа лежит принцип последовательного определения параметров местоположения ПРИ: широты - Xi, долготы - Yi и высоты Zi по критерию минимума разностей отношений расстояний местоположения ИРИ до каждой из соответствующих точек измерения и соответствующих обратных отношений уровней сигналов, измеренных в этих точках. Координаты при этом могут вычисляться по методу дихотомии, например, методу поразрядного уравновешивания. Для его использования априори должны быть известны диапазоны D значений искомых величин. Эти диапазоны обычно известны, исходя из параметров зоны электромагнитной доступности используемых мобильных постов радиоконтроля. В соответствии с алгоритмом поразрядного уравновешивания, первоначально задают среднее из диапазона D значение определяемой величины (например, широты) при фиксированных, но лежащих в известных диапазонах значений долготы и высоты. Вычисляют расстояния от i-го местоположения ИРИ до каждой j-ой точки измерения (j≤3), Затем вычисляют попарные отношения этих расстояний , , и т.д., всего отношений. Эти отношения позволяют исключить зависимость вычисления координат местоположения от мощности ИРИ. Полученные отношения сравнивают путем вычитания с обратными отношениями уровней сигналов:

, , и т.д., всего отношений.

Например, для точек измерения 1 и 2 эту разность определяют как F₁₁₂=(n_12i-n₂₁). Для 2 и 3 - как F₁₂₃=(n_23i-n₃₂) и т.д. Если разность отношений меньше нуля, то к первоначальному значению широты добавляют 1/4 часть диапазона. В противном случае из первоначального значения широты вычитают 1/4 часть диапазона ее значения. Затем опять производят вычисление расстояний до постов и оценку результатов сравнения, как описано выше. При этом добавляют (или вычитают) уже 1/8 часть диапазона, затем 1/16 часть и т.д. Такие итерации продолжают до тех пор, пока результат сравнения не окажется по модулю меньше заранее заданного значения погрешности дискретизации каждого параметра местоположения , где m - количество итераций. На рис.1 показано изменение этих функций для всех трех пар точек измерения при последовательном, равномерно-ступенчатом (для наглядности) поиске. После этого фиксируют полученное значение параметра. Затем аналогично вычисляют значение долготы при найденной широте, а затем и высоты. Отметим, что данный способ для одной пары точек измерения может иметь неоднозначность результата. Устраняют ее путем нахождения экстремумов каждой из функций попарных произведений разностей отношений (для каждой из двух пар точек измерений), например, 1, 2 и 2, 3: F_212.23=(n_12i-n₂₁)(n_23i-n₃₂), 1,2 и 3,1 - F_212.31=(n_12i-n₂₁)(n_13i-n₁₃), 2, 3 и 3, 1 - F_223.31=(n_23i-n₂₃)(n_13i-n₃₁) и т.д. всего уравнений, или, что предпочтительнее, путем нахождения точек перегиба функции произведения трех разностей отношений для точек измерения 1, 2 и 3 F₃₁₂₃=(n_12i-n₂₁)(n_23i-n₃₂)(n_31i-n₁₃), всего уравнений, для M точек измерения.

На фиг.1 показаны зависимости разностей отношений для каждой пары точек измерения, на фиг.2 - для произведения двух пар точек измерения, фиг.3 - произведение разностей отношений для трех пар.

Итак, алгоритмически способ предусматривает выполнение следующих операций:

1. Измеряют не менее чем в трех точках траектории движения мобильного поста радиоконтроля, не лежащих на одной прямой и находящихся в зоне электромагнитной доступности поста, уровни сигналов ИРИ, перестраивая на несущие частоты сканирующий приемник этого поста и сохраняя в базе данных результаты измерения и координаты точек измерения уровней.

2. Вычисляют отношения измеренных уровней сигналов ИРИ, обратные отношениям соответствующих расстояний от М точек измерения до возможного местоположения ИРИ.

3. Составляют попарных мультипликативных уравнения разностей попарных отношений расстояний от точек измерения уровней до возможного местоположения ИРИ и соответствующих обратных отношений измеренных уровней, а также мультипликативных уравнений для всех M точек измерения уровней, взятых по три.

4. Задают из заранее известного диапазона координат возможного местоположения ИРИ два параметра координат (например, долготу и высоту), а один из параметров координат (например, широту) дихотомически изменяют и вычисляют при этом возможное расстояние ИРИ до каждой из точек выполненных измерений до тех пор, пока каждое из попарных мультипликативных уравнений с заданной погрешностью не достигнет экстремального значения, а также каждое из мультипликативных уравнений для каждой тройки точек измерения уровней не достигнет точки перегиба.

5. Значения параметров, полученные в экстремальных точках и точках перегиба усредняют и принимают за окончательные.

6. Процедуры по пп. 4 и 5 повторяют для последовательного получения долготы, а затем и высоты местоположения искомого ИРИ.

В предлагаемом способе устранены недостатки прототипа:

1. Исключены какие либо сложные уравнения линий местоположения ИРИ со скрытыми в них ошибками сингулярности. В предлагаемом способе функции произведения разности отношений конечных величин (расстояний и обратных уровней сигналов) являются гладкими и не создают сингулярных погрешностей.

2. Предложенный способ обеспечивает определение координат местоположения ИРИ не только на поверхности Земли, но и в пространстве.

3. Минимальное количество точек измерения сокращено с четырех до трех, что свидетельствует о повышении быстродействия способа по сравнению с прототипом.

4. Для количества точек измерения M≥3 общее количество усреднений составляет величину, равную , что позволяет повысить точность определения координат местоположения источника радиоизлучения по сравнению с прототипом. Ниже приведена сопоставительная таблица количества усреднений для заявляемого способа и прототипа, подтверждающая более высокую точность предложенного способа.

Количество точек измерения уровней постом	3	4	5	6
Прототип	-	1	5	15
Заявляемый способ	4	10	20	35

Все это указывает на наличие новизны предложенного способа.

Следует отметить, что способ является наиболее универсальным, не требует сложных вычислений и легко реализуем.

Источники информации

1. Справочник по радиоконтролю. Международный союз электросвязи. - Женева: Бюро радиосвязи. 2002. - 585 с.

2. Корнеев И.В., Ленцман В.Л. и др. Теория и практика государственного регулирования использования радиочастот и РЭС гражданского применения. Сборник материалов курсов повышения квалификации специалистов радиочастотных центров федеральных округов. Книга 2. - СПб.: СПбГУТ. 2003.

3. Патент RU №2306579, опубл. 20.09.2007 г.

4. Е. Корн и Т. Корн. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. / Под ред. Арамановича И.Г. - М.: «Наука». 1968. - 720 с.

Дихотомический разностно-относительный способ мобильного определения координат местоположения источника радиоизлучения, основанный на измерении параметров радиоизлучений в нескольких точках пространства, не лежащих на одной прямой сканирующими радиоприемными устройствами, перемещающимися в пространстве, и отличающийся тем, что для измерения параметров радиоизлучений ИРИ используют М≥3 точек измерения уровней сигналов радиоизлучений, находящихся в зоне электромагнитной доступности поста, составляют $${С}_{М}^2$$ попарных мультипликативных уравнений разностей $${С}_{М}^2$$ попарных отношений расстояний от точек измерения до местоположения искомого источника радиоизлучения, полученных для заданных из известного диапазона значений широт, долгот и высот искомого местоположения источника радиоизлучения, и $${С}_{М}^2$$ соответствующих попарных обратных отношений величин уровней сигналов источника, а также составляют $${С}_{М}^{З}$$ мультипликативных уравнений таких же разностей отношений для всех точек измерения, взятых по три, дихотомически изменяют последовательно значение каждого из параметров местоположения источника радиоизлучения при неизменных значениях двух других и находят точки экстремумов $${С}_{М}^2$$ мультипликативных уравнений каждой пары точек измерения и точки перегиба $${С}_{М}^{З}$$ мультипликативных уравнений для всех точек измерения, взятых по три, фиксируя после суммарного N кратного $$(N={С}_{М}^2+{С}_{М}^{З})$$ усреднения каждый найденный в этих точках параметр местоположения источника, как окончательный.