СПОСОБ ОДНОПУНКТОВОЙ ДАЛЬНОМЕТРИИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/95 G01S5/02 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частности для наблюдения за грозовой деятельностью.

Известны способы однопунктового определения дальности до источника излучения, основанные на анализе отражения сигнала от ионосферы, в которых дальность определяется по времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны и высоте отражающего слоя ионосферы. При этом для расчета дальности используют известные математические зависимости из геометрической оптики. Для реализации таких способов необходимо знание высоты отражающей области ионосферы. При этом следует учитывать, что использование априорных усредненных значений этого параметра для различных условий регистрации приводит к большим погрешностям дальнометрии, поскольку высота отражающей области ионосферы меняется случайным образом [1].

Способ, выбранный в качестве прототипа [2], основан на определении из одного пункта наблюдения пеленга и дальности до источника излучения по времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны и высоте отражающего слоя ионосферы из выражения

где
R_З - радиус Земли;
c - скорость света;
H - высота отражающего слоя ионосферы;
d - дальность до источника вдоль поверхности Земли.

Этот способ характеризуется следующей последовательностью операций: регистрируют вертикальную электрическую компоненту поля вертикальной штыревой антенной, E_y(t), регистрируют горизонтальную магнитную компоненту поля H_x(t) двумя вертикальными ортогональными рамочными антеннами, взаимно компенсируют сигналы земной волны, принятые рамочными антеннами, выделяют разностный сигнал продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения, определяют время задержки ионосферного отражения по разностному сигналу относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны τ_з, выбирают априорное значение высоты отражающего слоя ионосферы: H, затем полученное значение задержки τ_з и значение высоты отражающего слоя ионосферы H подставляют в выражение (1), из которого определяют дальность до источника d.

Недостатком прототипа является тот факт, что в качестве высоты отражающего слоя используют априорные высоты: для дневного времени суток - 63 км, для ночного - 85 км, что приводит к дополнительным погрешностям дальнометрии, особенно в переходной период суток, когда высота отражающего слоя принимает промежуточные значения.

Техническим преимуществом заявляемого способа является повышенная точность определения дальности до источника ЭМИ за счет более точного определения высоты отражающей области ионосферы над контролируемой территорией.

Указанное преимущество достигается тем, что для определения дальности до источника излучения d используют зависимость времени задержки ионосферных отражений от дальности τ_зj(d_j), учитывающую характеристики сигнала и текущего ионосферного профиля, восстанавливаемого с помощью сигналов фиксированной частоты импульсно-фазовых радиостанций.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что по принятому (полезному) сигналу известным способом (см. прототип) определяют время задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны τ_з, определяют опорную частоту сигнала, соответствующую максимуму амплитудного спектра сигнала f_max, определяют действующую высоту отражающего слоя ионосферы h_j, и, подставляя полученные значения в выражение (1), определяют дальность до источника ЭМИ d.

Изобретение раскрывается следующим описанием: по принятому сигналу известным способом (см. прототип) определяют время задержки ионосферного отражения τ_зj относительно сигнала земной волны; затем определяют опорную частоту сигнала f_max, соответствующую максимуму амплитудного спектра сигнала; определяют текущий профиль электронной концентрации ионосферы h_j, для чего используют сигналы фиксированной частоты fстj

импульсно-фазовых радиостанций с известными расстояниями dстj до пункта наблюдения (ПН) (j = 1... n, где n - количество радиостанций); определяют время задержки ионосферных отражений τ_зj, решая уравнение (1) относительно высоты ионосферы, получают текущие действующие высоты отражения сигналов импульсно-фазовых радиостанций

вычисляют углы падения сигналов радиостанций на ионосферу ν_j по формуле

Используя законы преломления и отражения для относительной диэлектрической проницаемости ионосферной плазмы, определяют концентрации электронов N-ej, необходимые для поворота "необыкновенной" составляющей электромагнитной волны по формуле

Поскольку зависимость концентрации электронов от высоты для нижних слоев ионосферы является почти монотонной, аппроксимируют полученную зависимость N-ej(h_j) линейной функцией
h^Ар = a•N-Арe+b, (5)
где
h^Ap - аппроксимированное значение действующей высоты;
N-Арe - аппроксимированное значение электронных концентраций;
a и b - регрессионные коэффициенты.

Текущий профиль электронных концентраций восстанавливают через интервалы времени, в течение которых изменения, происходящие в ионосфере, незначительны.

Далее вводят массив возможных углов падения волны на ионосфере ϑ_l, l = 1 ...... m, где m - размерность массива; (шаг дискретизации выбирают из требований точности).

ϑ_lmin - - максимально возможный угол падения на ионосферу, который выбирают из расчета минимальной дальности d_lminn = 100 км и максимальной высоты отражающего слоя НЧ волны ночью h_lmax = 95 км; ϑ_lmax - - для максимальной дальности d_lmax = 1000 км и минимальной высоты отражения для дневного времени суток h_lmin = 50 км.

По формуле (4) для f_max и ϑ_l рассчитывают массив электронных концентраций Ne-l

; затем по формуле (5) для Ne-l рассчитывают массив действующих высот отражения сигналов ЭМИ h. После этого для выбранных значений ϑ_l/ и полученных значений h_l рассчитывают массив дальностей до источника ЭМИ по формуле
(6)
Подставляя в выражение (1) h_l и d_l, получают таблицу задержек для полезного сигнала τ_зl(d_l) с учетом текущего профиля ионосферы.

Используя таблицу, по измеренной известным способом задержке τ_з определяют оценку дальности d до источника полезного сигнала.

Предлагаемый способ иллюстрируется геометрией задачи (фиг. 1) и алгоритмом дальнометрии (фиг. 2).

Блоки на фиг. 2 выполняют следующие функции: в блоке 1 производят регистрацию сигналов ЭМИ: вертикальной электрической компоненты и горизонтальной магнитной компоненты, в блоке 2 производят измерение задержки ионосферного отражения относительно земной волны τ_з, в блоке 3 производят ввод данных: частот радиостанций f_j, используемых для зондирования ионосферы, расстояний d_j от радиостанции до пункта наблюдения (ПН), проводимости подстилающей поверхности G_зj, задержек ионосферных отражений τ_зj, в блоке 4 вычисляют высоты отражений от ионосферы по формуле (2), в блоке 5 производят расчет углов падения на ионосферу ϑ_j по формуле (3), в блоке 6 производят расчет концентрации электронов N-el

, по формуле (4), в блоке 7 вычисляют коэффициенты ионосферного профиля: а и б, в блоке 8 определяют опорную частоту сигнала ЭМИ f_max, в блок 9 вводят массив углов падения волн на ионосферу ϑ_l в блоке 10 формируют массив электронных концентраций N-el, определяемых по формуле (4), в блоке 11 вычисляют массив высот отражения от ионосферы h_e, определяемых по формуле (5), в блоке 12 вычисляют массив дальностей d_l, определяемых по формуле (6), в блоке 13 формируют таблицу зависимости τ_зl(d_l) определяемой по формуле (1), в блоке 14 производят определение дальности до источника излучения d по таблице зависимости τ_зl(d_l) в блоке 15 производят вывод информации.

Таким образом, использование зависимости времени задержки ионосферных отражений от дальности до источника ЭМИ, учитывающей характеристики сигнала f_max и текущего ионосферного профиля h_l, является новым отличительным признаком, способствующим достижению технического преимущества.

Если в прототипе для определения дальности до ЭМИ используются априорные значения высоты отражающего слоя ионосферы, основанные на среднестатистических высотных зависимостях электронной концентрации, не изменяющиеся в зависимости от частоты принимаемого сигнала, то в предлагаемом изобретении данные о параметрах отражающей области ионосферы обновляются через малые промежутки времени, а дальность до источника ЭМИ определяется с учетом частоты зарегистрированного (полезного) сигнала.

Использование: для наблюдения за грозовой деятельностью. Сущность изобретения: по принятому полезному сигналу известным способом определяют задержку ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, определяют опорную частоту сигнала, восстанавливают профиль электронной концентрации ионосферы с помощью сигналов фиксированной частоты импульсно-фазовых радиостанций с известными координатами. По полученному профилю электронных концентраций, опорной частоте сигнала и времени задержки ионосферного отражения, используя зависимость времени задержки ионосферного отражения от дальности до источника излучения, определяют величину дальности. Технический результат заключается в повышении точности дальнометрии. 2 ил.

1. Способ однопунктовой дальнометрии источников электромагнитного излучения (ЭМИ), основанный на регистрации вертикальной электрической компоненты поля штыревой антенной, регистрации горизонтальной магнитной компоненты поля импульсного источника ЭМИ двумя ортогональными рамочными антеннами, определении дальности до источника излучения по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки ионосферного отражения относительно земной волны, отличающийся тем, что определяют опорную частоту сигнала ЭМИ, соответствующую максимуму амплитудного спектра сигнала, восстанавливают текущий профиль электронной концентрации, определяют время задержки ионосферного отражения по действующей высоте отражающего слоя ионосферы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что текущий профиль электронной концентрации ионосферы определяют по формулам
hApe

= a•N-Apel+b;

где h^Ap _e - апроксимированное значение действующей высоты ионосферы;
N-Apel - апроксимированное значение концентрации электронов;
a, b - регрессионные коэффициенты;
ϑ_l - угол падения волны на ионосферу,
l = 1 - m - размерность массива;
f_max - опорная частота сигнала.