Метод определения местоположения источника радиоизлучения на основе комбинирования фазового и разностно-доплеровского способов определения координат подвижным и одиночным средством радиотехнического контроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод определения местоположения источника радиоизлучения на основе комбинирования фазового и разностно-доплеровского способов определения координат подвижным и одиночным средством радиотехнического контроля

И.В. Коликов

В.В. Уткин

С.В. Клинков

Аннотации

В работе предложен комбинированный метод определения местоположения источника радиоизлучения подвижным и одиночным средством радиотехнического контроля. Произведен расчет зон относительной ошибки определения координат и рассмотрен способ повышения точности определения местоположения в направлениях, при которых ошибки принимают критически большие значения. Приводится обобщенная структурно-логическая схема средства радиотехнического контроля, в котором может реализован рассматриваемый метод.

Ключевые слова: определение местоположения; радиотехнический контроль; источник радиоизлучения; эффект Доплера.

METHOD FOR DETERMINING LOCATION OF SOURCE OF RADIO EMISSION BASED ON PHASE AND DIFFERENCE DOPPLER METHODS FOR DETERMINING COORDINATES BY MOBILE AND SINGLE RADIO ENGINEERING CONTROL

I. V. Kolikov1, V. V. Utkin1, S. V. Klinkov1

1 Cherepovets Higher Military Engineering School of Radioelectronics, Cherepovets, Russia

Abstract. Combined method for determining the location of a radio source by a mobile and single means of radio control is proposed in the article. The calculation of zones of relative error in the determination of coordinates was made and a method for increasing the accuracy of positioning in the directions in which errors take on critically large values is considered. A generalized block diagram of a radio engineering control means is given, in which the method can be implemented. радиоизлучение точность местоположение

Keywords: location determination; radio engineering complexes; radio emission source; Doppler effect.

Введение

Проблема повышения точности определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) является крайне актуальной при решении задач радиотехнического контроля (РТК), что обусловлено уменьшением объема информации, которую можно извлечь из сигнала, вследствие применения все более совершенных средств закрытия (кодирование, шифрование и т.д), увеличением удельного веса информации о местоположении ИРИ в общем объеме информации, извлекаемой из принимаемого сигнала.

В средствах РТК наибольшее распространение получили пеленгационные методы определения координат. Использование разностно-дальномерных методов не получило столь широкого распространения и является скорее исключением, чем правилом. Основной причиной слабой распространенности данных методов является необходимость наличия в комплексах РТК каналов связи с большой пропускной способностью для ретрансляции сигналов в аналоговом или цифровом видах с периферийных приемных пунктов на центральный пункт обработки.

В качестве потенциально применимых для целей РТК можно назвать доплеровские методы определения местоположения и варианты их комбинирования с другими способами.

Метод определения местоположения источника радиоизлучения

Рассматриваемый в данной работе метод определения местоположения источника подвижным средством РТК является комбинацией разностно-доплеровского [1-3] и фазового способов [2] определения координат неподвижного ИРИ и реализуется путем измерения разности фаз и значений доплеровских сдвигов частот сигнала ИРИ, принимаемого на две разнесенные антенны.

На рисунке 1 представлена схема расположения средства РТК и ИРИ. Средство РТК на базе летно-подъемного средства, с двумя антеннами, разнесёнными на расстояние , перемещается со скоростью , - угол между вектором скорости и антенной системой средства РТК, - угол между антенной системой и направлением на ИРИ.

Рис. 1. Схема расположения средства РТК и ИРИ.

Рассмотрим способ оценки дальности до ИРИ.

Перемещение средств РТК на базе летно-подъемного средства вдоль траектории движения, будет приводить к изменению угла направления на ИРИ. При этом скорость изменения угла направления на ИРИ зависит от радиальной составляющей скорости средства РТК и от расстояния от средства РТК до ИРИ и будет определяться следующим выражением:

. (1)

Расстояние может быть выражено из (1):

. (2)

Значения угла прихода сигнала и скорость его изменения остаются неопределенными.

Угол прихода может быть получен путем измерения разности фаз сигнала, принятого на две разнесенные антенны (рисунок 2).

Рис. 2. Оценка угла направления на ИРИ.

Расстояние от средства РТК до ИРИ много больше по сравнению с базой B, следовательно, угол направления на ИРИ определяется как:

. (3)

Скорость изменения угла направления на ИРИ может быть получено путем измерения - разности доплеровских сдвигов частот сигнала, принимаемого на две разнесённые антенны, и будет равна:

, (4)

где и - соответственно значения доплеровских сдвигов частот на двух антеннах, л - длина волны излучателя. Когда имеет место следующее выражение:

. (5)

Из (5) выражаем :

. (6)

Учитывая (2) и (5) расстояние от средства РТК до ИРИ может быть определено как:

. (7)

Выражения (7) и (3) позволяют оценить угол направления на ИРИ и расстояние до него, таким образом определить местоположение ИРИ на плоскости.

Дисперсия ошибки измерения расстояния, учитывая, что параметры некоррелированы и не смещены, определяется как:

, (8)

где частные производные выражаются:

. (9)

С помощью преобразований из (8) и (9) может быть выражено отношение:

. (10)

Ошибка измерения пеленга определяется следующим выражением

, где , (11)

где и в (11) представляют собой время нарастания огибающей и отношение сигнал/шум принятого сигнала [2]. N - количество импульсов, по которым усредняется измерение.

Ошибка измерения разности доплеровских сдвигов частот :

. (12)

Значение , использованное для (12), было получено в [4] для оценки одиночной частоты в течение непрерывного интервала длительности , в которой собирается M выборок.

Ошибкой измерения частоты излучателя , нормированным относительно самой частоты, также и можно пренебречь. И выражение (10) можно переписать следующим образом:

. (13)

В случае, когда система двух антенн ориентирована ортогонально относительно линии корпуса летно-подъемного средства, выражение (13) может быть упрощено:

. (14)

Согласно выражению (14), относительная ошибка определения местоположения имеет две компоненты: радиальную и поперечную. Радиальные и поперечные ошибки определяют эллипс ошибок вокруг истинного положения ИРИ. Относительные ошибки, радиальные и поперечные, определяются соответственно выражениями (13) и (11). Ошибка оценки расстояния является определяющей, в связи с тем, что она пропорциональна .

На рисунке 5 приводятся результаты расчета относительной точности определения местоположения ИРИ рассматриваемым методом. Расчет производился при следующих условиях: B = 10 м, V = 200 м/с.

Как видно из рисунка 5 особенностью определения местоположения источника рассматриваемым методом является наличие двух направлений на ИРИ, при которых ошибка определения местоположения возрастает многократно: направление "вдоль траектории" и "ортогонально траектории".

В обоих случаях значение стремится к нулю: для направления вдоль траектории значения доплеровского сдвига частот на двух антеннах одинаковы, т.е. равна нулю, а во втором случае - значения доплеровского сдвига частот на антеннах равны нулю, соответственно и разность также равна нулю.

Рис. 5. Зависимость относительной ошибки определения местоположения от направления и дальности до ИРИ.

Значения ошибок имеют зависимость от скорости перемещения средства РТК, поэтому размещение средств РТК на платформе искусственных спутников Земли, позволит существенно увеличить точность определения координат источника.

Рассмотрим практическое предложение по устранению недостатка метода, которое заключается в размещении дополнительной пары антенн, смещенных на 45є от основной пары антенн, таким образом, рабочие направления дополнительной пары антенн совпадут с направления первой пары антенн, при которых ошибки определения местоположения источника являются критическими (рисунок 6).

Рис. 6. Зависимость относительной ошибки определения местоположения от направления и дальности до ИРИ при наличии дополнительной пары антенн.

Структурно-логическая схема средства радиотехнического контроля

Рассмотрим обобщенную структурно-логическую схему средства РТК, в котором может реализован рассматриваемый метод определения местоположения (рисунок 7).

Рис. 7. Обобщенная структурно-логическая схема средства РТК.

Двухканальный приемник осуществляет прием, первичную фильтрацию и перенос на промежуточную частоту для дальнейших преобразований. В модуле цифровой обработки сигналов производится основные процедуры по оцифровке сигнала, вычисления преобразования Фурье и др. Далее осуществляются необходимые измерения фазовой задержки сигналов и разности доплеровских сдвигов частот. Полученная информация поступает на модуль, где осуществляется вычисление координат ИРИ, с учетом текущего положения средства РТК и его ориентации в пространстве.

Заключение

В статье рассмотрен комбинированный метод определения местоположения источника радиоизлучения на основе фазового и разностно-доплеровского способа определения координат источника, сущность которого заключается в том, что, перемещая средство РТК и принимая сигнал на две разнесенные антенны, вычисляется направление на ИРИ на основе разности фаз сигналов и оценивается дальность до ИРИ с учетом разности значений доплеровских сдвигов частот сигналов.

Приведен вариант расчета зон относительной ошибки определения координат ИРИ. Наглядно показаны ограничения работы метода, заключающиеся в наличии направлений на ИРИ, при которых ошибки определения местоположения становятся критически большими. Предложен способ повышения точности определения местоположения ИРИ при данных направлениях.

Предложена обобщенная структурно-логическая схема средства РТК, в котором может реализован рассматриваемый метод.

Литература

1. Becker, K. An efficient method of passive emitter location. // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1992, Vol. 28. Pp. 1091-1256.

2. Мельников Ю.П., Попов С.В. Радиотехническая разведка. Методы оценки эффективности местоопределения источников излучения. М.: Радиотехника, 2008. - 432 с.

3. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы. М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.

4. Rife, D.C. Single-tone parameter estimation from discrete-time observations. // IEEE Trans. Inf. Theory, 1974, Vol. 20, Pp. 591-598.

References

1. Becker, K. An efficient method of passive emitter location. // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1992, Vol. 28. Pp. 1091-1256.

2. Melnikov Yu.P., Popov S.V. Radio Intelligence. Methods for assessing the effectiveness of the positioning of radiation sources. M.: Radio Engineering, 2008. - 432 p.

3. Kondratyev B.C., Kotov A.F., Markov L.N. Multipoint radio systems. M.: Radio and communication, 1986. - 264 p.

4. Rife, D.C. Single-tone parameter estimation from discrete-time observations. // IEEE Trans. Inf. Theory, 1974, Vol. 20, Pp. 591-598.

Размещено на Allbest.ru