СПОСОБ РАДИОКОНТРОЛЯ Российский патент 2015 года по МПК G01S5/28 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано при радиоконтроле для определения пространственно-энергетических характеристик наземных объектов по их радиоизлучениям в диапазоне коротких волн.

Для обычных мощностей наземных передатчиков зона электромагнитной доступности поверхностных радиоволн не превышает нескольких десятков километров. При радиоконтроле этой зоны с определением пространственно-энергетических характеристик излучателей (местоположения и мощности) отраженные от ионосферы сигналы, которых подавляющее большинство, выступают в качестве мешающих. Необходимо определение типа волны (идентификация поверхностной волны) и выделение соответствующего сигнала из общего потока сигналов мирового эфира.

Известен способ радиоконтроля, включающий прием сигнала с помощью антенной решетки, определение числа лучей и угла прихода в вертикальной плоскости каждого луча принятого сигнала, в случае фиксации одного луча сравнение его угла прихода с порогом, при не превышении которого идентифицируют сигнал источника как поверхностную волну и определяют его пеленг (1. Патент РФ №2287169, 2006, МПК⁷ G01S 13/02).

Этот способ не обеспечивает определение координат и мощности источников поверхностных радиоволн. Для надежного определения числа лучей требуется применение многоэлементных антенных решеток с большой базой, что затрудняет практическую реализацию способа. Затруднен расчет порога, который определяется, в том числе, изменчивыми электрическими параметрами земной поверхности, что приводит к низкой достоверности идентификации.

Известен способ обнаружения и определения местоположения источника радиоизлучения, включающий прием излучения не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема, измерение амплитуды принятых сигналов с последующей передачей результатов измерений на центральный пункт, где рассчитывают обратно пропорциональное квадрату расстояния ослабление сигнала при распространении из мест возможного положения источника в пункты приема, преобразуют результаты измерений и расчетов в пространственный спектр, по максимуму которого сравнением с порогом обнаружения и положению максимума определяют наличие излучения и местоположение источника. При этом порог обнаружения устанавливают исходя из допустимой вероятности ложной тревоги по шумам приема, а пространственный спектр определяют как отношение квадрата суммы по совокупности антенн произведения амплитуд на множитель ослабления к произведению суммы квадратов амплитуд и суммы квадратов множителей ослабления (2. Патент РФ №2263928, 2005, МПК⁷ G01S 5/00, 13/00).

Линиями положения источника в данном способе являются окружности. Основной недостаток состоит в том, что не определяется мощность излучения. Кроме того, вследствие неоднозначности определения координат способ не применим при наличии только двух пунктов приема. Даже без учета обстоятельства неоднозначности область в окрестности перпендикуляра из центра базы является нерабочей из-за значительных погрешностей. Но и при числе пунктов приема большем двух велика вероятностью ложной тревоги, то есть отнесения засечек координат удаленных источников в зону электромагнитной доступности поверхностных волн, что обусловлено различием в пунктах приема и флуктуациями уровня сигналов ионосферных волн.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является (прототип) способ многопозиционного пеленгования, включающий прием сигналов, измерение пеленгов и их дисперсии не менее чем в двух пунктах пеленгования с известным местоположением, передачу результатов измерений на центральный пункт, где по измеренным пеленгам с учетом их дисперсии и местоположения пунктов пеленгования рассчитывают координаты источника и определяют его принадлежность зоне электромагнитной доступности поверхностных радиоволн (3. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. -М.: Сов. радио, 1964, с. 571-597).

Линиями положения в способе являются лучи из пунктов пеленгования. Расчет координат источника может выполняться различными способами. Например, с применением известных алгебраических формул или численных методов поиска экстремума, когда по принципу наименьших квадратов рассчитывают пеленги на места возможного положения источника, определяют сумму нормированных на дисперсию пеленгов квадратов разностей их измеренных и расчетных значений, а местоположение излучателя определяют по минимуму значений суммы, совокупность которых есть двухмерная в декартовой системе координат функция пространственной неопределенности.

В способе-прототипе могут применяться мало базовые антенные системы минимального состава из трех антенн с пеленгованием амплитудным и фазовым методом. При этом достигаются удовлетворительные точности по источникам поверхностных радиоволн, но значительные ошибки пеленгования ионосферных волн. Это определяет основной, наряду с отсутствием определения мощности излучения, недостаток - высокую вероятность ложной тревоги. Недостатком также является известное ограничение рабочей зоны, из которой при двухпозиционном варианте исключаются области вблизи линии базы со значительными погрешностями определения координат.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности радиоконтроля за счет определения мощности излучения, увеличения достоверности идентификации и расширения рабочей зоны.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном способе радиоконтроля, включающем прием сигнала излучателя, измерение пеленгов и их дисперсии в пунктах пеленгования с известным местоположением, передачу результатов измерений на центральный пункт, где рассчитывают пеленги из пунктов пеленгования на места возможного положения источника и определяют функцию пространственной неопределенности по пеленгу как сумму нормированных на дисперсию пеленгов квадратов разностей их измеренных и расчетных значений, новым является то, что дополнительно в пунктах пеленгования измеряют напряженность поля излучателя и поля помех, на центральном пункте рассчитывают напряженность поля в пунктах пеленгования от излучателя из мест его возможного положения, для чего первоначально оценивают напряженность поля в пунктах пеленгования от излучателя с эталонной мощностью, по совокупности этих оценок и результатов измерений определяют коэффициент масштабирования, на который умножают результаты первоначальных оценок, затем определяют функцию пространственной неопределенности по напряженности как сумму, по всем пунктам пеленгования, квадратов нормированных на напряженность поля помех разностей измеренных и расчетных напряженностей поля излучателя, после чего определяют суммарную функцию пространственной неопределенности и ее минимум, при непревышении которым порога идентифицируют наличие поверхностной волны, местоположение излучателя определяют как положение минимума, а мощность как произведение эталонной мощности на квадрат коэффициента масштабирования в точке минимума, причем порог устанавливают исходя из заданной вероятности правильной идентификации, а коэффициент масштабирования определяют по формуле

где x, y - абсцисса и ордината места возможного положения источника,

$${\stackrel{⌢}{E}}_n$$ , $${\stackrel{⌢}{\sigma }}_{{ш}_n}$$ - измеренные напряженность поля излучателя и поля помех в n=1, 2, … -м пункте пеленгования, $$E_n^{\text{'}}\left(x,y\right)$$ - оценочная напряженность поля от излучателя с эталонной мощностью.

Возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором места возможного положения излучателя определяют на отрезке прямой линии, для чего по результатам измерений пеленгов и их дисперсии выполняют предварительную оценку координат излучателя, через точку оценки проводят прямую линию с началом ее в точке средневзвешенного обратно пропорционально дисперсии пеленгов значения координат пунктов пеленгования, а длину отрезка ограничивают радиусом электромагнитной доступности поверхностных радиоволн.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются прилагаемыми чертежами.

Фиг. 1 - гистограмма результатов определения мощности.

Фиг. 2 - гистограмма средней квадратичной погрешности определения координат.

Фиг. 3 - рабочая зона по способу-прототипу.

Фиг. 4 - рабочая зона по предлагаемому способу.

Решение поставленной технической задачи базируется на комплексировании информации о пеленгах и напряженности поля сигнала путем преобразования соответствующих измеренных и расчетных значений в функции пространственной неопределенности и их суммирования. Линии положения при этом различной формы: лучи и окружности. Возможность статистически устойчивого объединения разнородных признаков, определяющих различные линии положения, достигается соответствующими нормировками на погрешности измерений (дисперсию пеленгов и напряженность поля помех). Одновременно обеспечивается учет неравноточности измерений как среди признаков одного класса (пеленгов или напряженности поля), так и между классами. При объединении признаков срабатывает логическая схема принятия решения «И» по двум признакам с существенным ужесточением условий отнесения в зону электромагнитной доступности сторонних излучений с ионосферным распространением не отвечающих критериям идентификации и не подпадающих под модельное описание поверхностных радиоволн, увеличивается достоверность идентификации. Следствием объединения является также компенсация областей нерабочих зон способа-прототипа и второго аналога.

Объединенная решающая статистика в виде суммарной функции пространственной неопределенности имеет важные свойства. Ее минимум сосредоточен в области истинных координат излучателя поверхностных радиоволн, достигается, когда коэффициент масштабирования и соответствующая определяемая через него мощность излучения равны истинным значениям. Величина минимума имеет хи-квадрат распределение с одной степенью свободы. Первое свойство позволяет определять местоположение излучателя как положение минимума, а мощность излучения через коэффициент масштабирования в точке минимума, а второе свойство - идентифицировать поверхностную волну сравнением минимума с порогом. Причем порог, в этом случае, фиксированный, устанавливается исходя из заданной вероятности правильной идентификации в соответствии с указанным законом распределения.

Априорная неопределенность мощности излучения и координат источника определяет особый предложенный порядок расчета напряженности поля в пунктах пеленгования первоначально для эталонной мощности излучения для всех мест возможного положения источника. Такой расчет применительно к распространению поверхностных радиоволн коротковолнового диапазона может выполняться с применением формул Шулейкина-Ван-дер-Поля (4. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. -М.: «Высш. школа», 1975, с. 77-79).

Назначение предложенного дополнительного варианта осуществления способа - уменьшение числа операций по обработке сигнала. Здесь для предварительной оценки координат излучателя целесообразно применение алгоритмов ускоренного расчета координат с применением алгебраических формул (5. Уфаев В.А., Уфаев А.В., Уфаев Д.В. Алгоритмы ускоренного расчета координат в угломерных системах. «Антенны», 2013, вып. 6 (193), с. 31-38).

Таким образом, комплексирование информации о пеленгах и напряженности поля сигнала в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения позволяет решить поставленную задачу: повысить эффективность радиоконтроля за счет определения мощности излучения, увеличения достоверности идентификации и расширения рабочей зоны.

Конкретизируем указанные общие положения и рассмотрим систему радиоконтроля, состоящую из центрального пункта и N≥2 пространственно разнесенных пунктов пеленгования с известными координатами X_n, Y_n, где n=1, 2, … N - номер пункта пеленгования.

В каждом из пунктов пеленгования принимают сигнал излучателя, измеряют пеленг $${\stackrel{⌢}{\theta }}_n$$ и его дисперсию , а также напряженность поля излучателя и напряженность поля помех $${\stackrel{⌢}{\sigma }}_{{ш}_n}$$ . Отсчет пеленга выполняют от оси ординат y декартовой системы (x,y) по часовой стрелке в пределах [-π,π], где π=3.14… Как для пеленгования, так и для измерения напряженности поля могут быть использованы пеленгаторные антенные системы пространственно разнесенных вибраторов (6. Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Уфаев В.А. Применение пеленгаторных антенных решеток для измерения напряженности поля. «Антенны», 2008, вып. 3 (130), с. 39-43).

Результаты измерений передают на центральный пункт, где выполняют следующее.

1. Рассчитывают пеленги из пунктов пеленгования на места (x,y) возможного положения источника поверхностных волн в области его электромагнитной доступности

Область электромагнитной доступности определяют исходя из типовых значений мощности излучения и уровня помех в пунктах приема, например, в виде круга из центра системы радиоконтроля, как среднеарифметического координат пунктов пеленгования.

2. Определяют функцию пространственной неопределенности по пеленгу как сумму нормированных на дисперсию пеленгов квадратов разностей их измеренных и расчетных значений

3. Рассчитывают напряженность поля E_n(х,y) в пунктах пеленгования от излучателя из мест его возможного положения.

Для этого первоначально по формуле Шулейкина-Ван-дер-Поля оценивают напряженность поля в пунктах пеленгования от излучателя с эталонной мощностью Р_е равной, например, 1 Вт

где w_n(r_n(x,y)) - множитель ослабления, $$r_n\left(x,y\right)=\sqrt{{\left(x-X_n\right)}^2+{\left(y-Y_n\right)}^2}$$ - расстояние от места (x,y) возможного положения источника до пункта пеленгования.

По совокупности предварительных оценок (3) и результатов измерений определяют коэффициент масштабирования по формуле

Результаты первоначальных оценок (3) умножают на коэффициент масштабирования

4. Определяют функцию пространственной неопределенности по напряженности как сумму, по всем пунктам пеленгования, квадратов нормированных на напряженность поля помех разностей измеренных и расчетных напряженностей поля излучателя

5. Определяют суммарную функцию пространственной неопределенности

6. Определяют значение минимума суммарной функции пространственной неопределенности

7. Величину минимума (8) сравнивают с порогом, устанавливаемым исходя из заданной вероятности правильной идентификации, при не превышении которого идентифицируют наличие поверхностной волны.

При выполнении условия сравнения по п. 7 местоположение излучателя определяют как положение минимума

а мощность излучения как произведение эталонной мощности на квадрат коэффициента масштабирования в точке минимума

Определение минимума суммарной функции пространственной неопределенности по координатам (x,y) может выполняться одним из численных методов, в частности путем квантования области электромагнитной доступности.

Для уменьшения числа операций по обработке сигнала возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором места возможного положения излучателя определяют на отрезке прямой линии. При этом

- по результатам измерений пеленгов и их дисперсии с применением алгоритмов ускоренного расчета выполняют предварительную оценку координат излучателя $$\left(\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{x}},\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{y}}\right)$$ ;

- определяют центр системы как точку средневзвешенного обратно пропорционально дисперсии пеленгов значения координат пунктов пеленгования

- через точку оценки $$\left(\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{x}},\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{y}}\right)$$ проводят прямую линию с началом ее в точке средневзвешенного (X_c,Y_c);

- длину отрезка линии ограничивают радиусом электромагнитной доступности поверхностных радиоволн.

Последующие преобразования по формулам (1)-(10) выполняют не во всей области электромагнитной доступности, а только на отрезке прямой линии, например, путем его квантования по следующей формуле:

где $${\dot{z}}_v=y_v+i\cdot x_v$$ , комплексные координаты точки квантования, i - мнимая единица, v=0, 1, … V - номер кванта при общем количестве $$V=\sqrt{R/\Delta d}$$ , Δd - допустимый шаг квантования, R - радиус зоны электромагнитной доступности, $$\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{\dot{z}}}=\stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{\dot{y}}}+i\cdot \stackrel{⌢}{\stackrel{⌢}{\dot{x}}}$$ , $${\dot{Z}}_c=Y_c+i\cdot X_z$$ - комплексные координаты точки предварительной оценки координат источника и центра системы соответственно.

Эффективность предлагаемого способа исследована методом имитационного статистического моделирования применительно к системе радиоконтроля из двух пунктов пеленгования с расстоянием между ними 10 км. Зона электромагнитной доступности излучателя поверхностных радиоволн определена в виде круга радиусом 50 км. Излучатель мощностью 10 Вт с длинной волны излучения 40 м располагался равновероятно в указанной зоне. Расчеты напряженности поля выполнялись для условий распространения радиоволн над влажной почвой с относительной диэлектрической проницаемостью 25 и удельной электрической проводимостью 0.2 Ом/м. Дисперсия пеленгования принята равной 3² град.², напряженность поля помех устанавливалась исходя из обеспечения фиксированного отношения сигнал/шум 16.9. Заданная вероятность правильной идентификации 0.95, при этом значение порога равно 3.841.

На фиг. 1, 2 приведены гистограмма результатов определения мощности $$\stackrel{⌢}{P}$$ и гистограмма линейной ошибки Δr определения координат по совокупности мест возможного положения источника в зоне электромагнитной доступности поверхностных радиоволн. Гистограммное число Г нормировано на число (10⁴) статистических экспериментов. Среднее значение измеренной мощности фиг. 1 близко к истинному 10 Вт значению при относительном среднем квадратическом отклонении примерно равном 0.5. Мода линейной ошибки определения координат фиг. 2 в указанных условиях составляет около 1 км.

На фиг. 3, 4 показаны рабочие зоны систем радиоконтроля для способа-прототипа и предлагаемого способа соответственно. Результаты получены по 20 статистическим экспериментам для 10⁴ точек возможного положения источника. Кружками показано положение пунктов пеленгования, точками отмечены места излучателя, для которых средняя квадратичная погрешность определения координат не превысила 0.1 от радиуса зоны электромагнитной доступности (5 км). Видно существенное в 3.1 раза увеличение площади рабочей зоны предлагаемым способом.

Для оценки вероятности ложной тревоги (идентификации сторонних источников как источников поверхностных радиоволн) сторонние источники располагались равновероятно в кольце с радиусами от 250 км до 1000 км. Избран наименее контрастный вариант условий идентификации с распространением ионосферных радиоволн в пункты пеленгования по однолучевым трассам касательно к земной поверхности. Вероятность ложной тревоги при этом составила 2·10^-4 для предлагаемого способа и 0.36 для способа-прототипа, порог принятия решения в котором с целью обеспечения заданной вероятности правильной идентификации увеличен до удвоенного радиуса электромагнитной доступности.

Наиболее успешно заявленный способ может быть использован в системах радиоконтроля для определения пространственно-энергетических характеристик наземных объектов по их радиоизлучениям в диапазоне коротких волн.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиоконтроле для определения пространственно-энергетических характеристик наземных объектов по их радиоизлучениям в диапазоне коротких волн. Достигаемый технический результат - определение мощности излучения, увеличение достоверности идентификации со снижением вероятности ложной тревоги с 0.36 до 2·10^-4 и расширение рабочей зоны в 3.1 раз. Указанный результат достигается за счет того, что способ включает прием сигнала излучателя, измерение пеленгов и их дисперсии в пунктах пеленгования с известным местоположением, передачу результатов измерений на центральный пункт, где рассчитывают пеленги из пунктов пеленгования на места возможного положения источника и определяют функцию пространственной неопределенности по пеленгу. Дополнительно в пунктах пеленгования измеряют напряженность поля излучателя и поля помех. Результаты измерений с учетом расчетных значений преобразуют в функцию пространственной неопределенности по напряженности и определяют суммарную функцию неопределенности. По минимуму последней идентифицируют наличие поверхностной волны, определяют местоположение излучателя и мощность излучения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ радиоконтроля, включающий прием сигнала излучателя, измерение пеленгов и их дисперсии в пунктах пеленгования с известным местоположением, передачу результатов измерений на центральный пункт, где рассчитывают пеленги из пунктов пеленгования на места возможного положения источника и определяют функцию пространственной неопределенности по пеленгу как сумму нормированных на дисперсию пеленгов квадратов разностей их измеренных и расчетных значений, отличающийся тем, что дополнительно в пунктах пеленгования измеряют напряженность поля излучателя и поля помех, на центральном пункте рассчитывают напряженность поля в пунктах пеленгования от излучателя из мест его возможного положения, для чего первоначально оценивают напряженность поля в пунктах пеленгования от излучателя с эталонной мощностью, по совокупности этих оценок и результатов измерений определяют коэффициент масштабирования, на который умножают результаты первоначальных оценок, затем определяют функцию пространственной неопределенности по напряженности как сумму, по всем пунктам пеленгования, квадратов нормированных на напряженность поля помех разностей измеренных и расчетных напряженностей поля излучателя, после чего определяют суммарную функцию пространственной неопределенности и ее минимум, при не превышении которым порога идентифицируют наличие поверхностной волны, местоположение излучателя определяют как положение минимума, а мощность как произведение эталонной мощности на квадрат коэффициента масштабирования в точке минимума, причем порог устанавливают исходя из заданной вероятности правильной идентификации, а коэффициент масштабирования определяют по формуле

где x,y - абсцисса и ордината места возможного положения источника, $${\stackrel{⌢}{E}}_n$$ , $${\stackrel{⌢}{\sigma }}_{{ш}_n}$$ - измеренные напряженность поля излучателя и поля помех в n=1,2, … -м пункте пеленгования, $$E_n^{\text{'}}\left(x,y\right)$$ - оценочная напряженность поля от излучателя с эталонной мощностью.

2. Способ радиоконтроля по п. 1, отличающийся тем, что места возможного положения излучателя определяют на отрезке прямой линии, для чего по результатам измерений пеленгов и их дисперсии выполняют предварительную оценку координат излучателя, через точку оценки проводят прямую линию с началом ее в точке средневзвешенного обратно пропорционально дисперсии пеленгов значения координат пунктов пеленгования, а длину отрезка ограничивают радиусом электромагнитной доступности поверхностных радиоволн.