СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ НАЗЕМНОГО ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ Российский патент 2016 года по МПК G01S13/46 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для определения местоположения наземного источника радиоизлучения (ИРИ) системы спутниковой связи (ССС) с летно-подъемного средства (ЛПС).

Известны системы определения координат ИРИ [1, 2], основанные на измерении параметров радиоизлучений в нескольких точках пространства сканирующими радиоприемными устройствами и преобразованных в систему уравнений окружностей равных отношений, при этом для измерения параметров радиоизлучений используют не менее четырех стационарных постов, расположенных не на одной прямой, один из которых принимают за базовый, снабжая его дополнительным специальным программным обеспечением и соединяя с остальными постами линиями связи. На всех постах осуществляют квазисинхронное сканирование по заданным фиксированным частотам.

Указанные системы определения координат ИРИ имеют ряд существенных недостатков:

- необходимость размещения не менее четырех стационарных постов;

- необходимость проведения сложной настройки подсистем синхронизации периферийных постов для осуществления квазисинхронного сканирования частот;

- необходимость использования подсистемы связи между периферийными постами;

- невозможность определения местоположения наземных источников радиоизлучений систем спутниковой связи из-за отсутствия электромагнитной доступности к указанным ИРИ.

Известен также способ определения координат ИРИ [3], предназначенный для определения местоположения ИРИ с летно-подъемного средства (ЛПС) угломерно-дальномерным способом и основанный на определении ориентации антенной решетки пеленгатора в трех плоскостях с одновременным измерением пространственных параметров (азимут и угол места) через угловые параметры: крен, тангаж и курсовой угол.

Указанная система определения координат ИРИ имеет ряд существенных недостатков:

- техническая сложность пеленгационных комплексов (использование двухканального интерферометра, дополнительных вычислителей);

- необходимость размещения дополнительных устройств угловой ориентации;

- высокие требования к точности изготовления антенных систем;

- большой вес и габариты используемой аппаратуры.

Известен также способ определения координат ИРИ [4], основанный на приеме сигналов источников радиоизлучений перемещающимся в пространстве измерителем, последовательно определяющим уровень сигнала (не менее четырех измерений), и построении круговых линий положения. Координаты ИРИ определяются как точка пересечения полученных круговых линий положения.

Указанная система определения координат ИРИ имеет ряд существенных недостатков:

- получение достаточно больших погрешностей определения координат ИРИ при пересечении касательных круговых линий положения под острыми углами (при плохом геометрическом факторе);

- невозможность определения местоположения наземных источников радиоизлучений систем спутниковой связи из-за отсутствия электромагнитной доступности к указанным ИРИ.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является "Способ определения местоположения источника радиоизлучения" [5], основанный на измерении напряженности поля на местности устройством, перемещающимся по свободной траектории, и определении по полученным данным вектора градиента электромагнитного поля от исследуемого ИРИ в различных точках на местности.

Основным недостатком прототипа является обязательное наличие круговой диаграммы направленности антенного элемента ИРИ, так как для вычисления координат источника необходимо определение пар точек с одинаковой величиной напряженности электромагнитного поля, с помощью которых вычисляется пересечение серединных перпендикуляров отрезков, построенных по указанным точкам. Вторым существенным недостатком указанного способа является получение больших погрешностей определения координат ИРИ при использовании данного способа на сильно пересеченной местности за счет эффекта многолучевости.

Способ поясняется иллюстрациями, на которых представлено:

фиг. 1 - схема траектории полета летно-подъемного средства с измерителем;

фиг. 2 - точки пространства в моменты обнаружения/потери сигнала исследуемого ИРИ;

фиг. 3 - линии положения системы определения местоположения ИРИ ССС.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что позволяет за счет использования энергетического обнаружителя, размещенного на ЛПС, определять координаты ИРИ наземных станций ССС с любым направлением конусной диаграммы направленности, характерной для антенных элементов наземных ССС. Использование математического аппарата, указанного в прототипе, возможно только в случае вертикального направления конусной диаграммы направленности. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнения заявляемого способа с другими аналогичными способами показывает необходимость либо наличия распределенных постов обработки с подсистемой синхронизации, либо использования сложных антенных систем и/или дополнительного оборудования угловой ориентации. Однако использование энергетического обнаружителя при восстановлении горизонтального сечения диаграммы направленности наземного ИРИ позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ определения местоположения источника радиоизлучения состоит в следующем. Пусть наземный ИРИ ССС неподвижен и излучает в течение времени t≥t_изм, достаточного для проведения измерений, радиосигнал в направлении ИСЗ, который находится на геостационарной орбите. Измерительное устройство, представляющее собой обнаружитель сигнала ИРИ, размещенный на летно-подъемном средстве, перемещаясь по свободной траектории на заданной высоте h в плоскости, параллельной поверхности Земли, осуществляет пространственный поиск сигнала наземного ИРИ ССС (фиг. 1). В моменты обнаружения/потери сигнала исследуемого ИРИ измерительное устройство запоминает координаты N точек собственного местоположения, по которым, впоследствии, вычисляют направление и определяют координаты наземного ИРИ ССС.

Излучение наземного ИРИ ССС образует в пространстве зону электромагнитной доступности в форме конуса с вершиной в точке размещения ИРИ. Осью конуса является прямая между ИРИ и ИСЗ, угол наклона β которой относительно поверхности Земли зависит от взаимного расположения ИСЗ на орбите и ИРИ на местности. Углом раствора конуса является угол α, соответствующий ширине диаграммы направленности антенной системы ИРИ.

Сечением конуса плоскостью, параллельной поверхности Земли, является эллипс либо, в частном случае, окружность (при β=π/2). Указанные фигуры являются кривыми второго порядка, тип линий которых и их положение однозначно определяются пятью точками, если никакие четыре из них не лежат на одной прямой. Следовательно, для определения эллипса измерительному устройству необходимо запомнить координаты N≥5 точек собственного местоположения в моменты обнаружения/потери сигнала исследуемого ИРИ (фиг. 2).

Каноническое уравнение эллипса в декартовой системе координат имеет вид

где X_n=x_ncosθ+y_nsinθ;

Y_n=-x_nsinγ+y_ncosγ;

x_n, y_n - координаты точек обнаружения/потери сигнала ИРИ;

x₀, y₀ - координаты центра эллипса;

а, b - большая и малая полуоси эллипса соответственно;

θ - угол поворота полуоси а эллипса относительно оси абсцисс.

По координатам N точек x_n, y_n решением системы из пяти нелинейных уравнений (1) находят x₀, y₀, a, b, а также угол θ, определяющий азимутальное направление на ИРИ из центра эллипса. Двузначность определения θ устраняется учетом того факта, что ИСЗ является геостационарным, следовательно, θ противоположно направлению на экватор (фиг. 3).

Угломестное направление на ИРИ γ вычисляют в соответствии с выражениями (2)…(5).

По теореме синусов

где

$$\sin \left(\beta -\frac{\alpha }{2}\right)=\frac{h}{L};$$

$$d=\frac{h}{\tan \gamma }.$$

По теореме косинусов

$$\tan \frac{\alpha }{2}=\frac{b}{M},\left(\text{4}\right)$$

где

Подставляя К, L и M в (2), (3) и (4), находят sinα, cosα и $$\tan \raisebox{1ex}{$\alpha $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$ .

Подставляя sinα, cosα и $$\tan \raisebox{1ex}{$\alpha $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$ в (5), находят угломестное направление на ИРИ γ из центра эллипса. Координаты наземного ИРИ ССС определяют как точку пересечения прямой, направленной на источник под углами θ и γ, с поверхностью Земли. Двузначность определения координат ИРИ ССС устраняется учетом того факта, что ИСЗ является геостационарным, следовательно, азимутальное направление на ИРИ 9 противоположно направлению на экватор.

Библиография

1. Логинов Ю.И. и др. Патент RU №2423721, опубликовано 10.07.2011 г.

2. Логинов Ю.И. и др. Патент RU №2430385, опубликовано 27.09.2011 г.

3. Иванов Ю.И. и др. Патент RU №2419106, опубликовано 20.05.2011 г.

4. Балюков В.М. и др. Патент RU №2306579, опубликовано 20.09.2007 г.

5. Александров В.Г. и др. Патент RU №2319169, опубликовано 10.03.2008 г.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Логинов Ю.И. и др. Патент RU №2423721, опубликовано 10.07.2011 г.

2. Логинов Ю.И. и др. Патент RU №2430385, опубликовано 27.09.2011 г.

3. Иванов Ю.И. и др. Патент RU №2419106, опубликовано 20.05.2011 г.

4. Балюков В.М. и др. Патент RU №2306579, опубликовано 20.09.2007 г.

5. Александров В.Г. и др. Патент RU №2319169, опубликовано 10.03.2008 г.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для определения координат наземного источника радиоизлучения (ИРИ) системы спутниковой связи (ССС) с летно-подъемного средства (ЛПС). Достигаемый технический результат - упрощение технических средств за счет определения координат наземного ИРИ ССС одним измерительным устройством. Указанный результат достигается тем, что измерительное устройство, размещенное на ЛПС, осуществляющее пространственный поиск сигнала наземного ИРИ ССС на заданной высоте h, перемещаясь по свободной траектории, запоминает координаты N точек (N≥5) собственного местоположения в моменты обнаружения (потери) сигнала наземного ИРИ ССС, при этом по координатам точек восстанавливается эллипсовидное горизонтальное сечение зоны электромагнитной доступности, представляющей собой в пространстве конус с вершиной в точке размещения ИРИ. По значениям параметров сечения (координат центра, размеров большой и малой полуосей, угла поворота эллипса) и высоты h вычисляются азимутальное θ и угломестное γ направление на ИРИ, после чего определяются координаты наземного ИРИ ССС. 3 ил.

Способ определения местоположения наземного источника радиоизлучения (ИРИ) системы спутниковой связи (ССС), заключающийся в том, что осуществляют пространственный поиск сигнала исследуемого ИРИ перемещающимся по свободной траектории измерительным устройством, запоминают координаты собственного местоположения измерительного устройства в определенных N точках пространства, по точкам вычисляют направление на ИРИ ССС и определяют его координаты как точку пересечения прямой с поверхностью Земли, отличающийся тем, что измерительное устройство, представляющее собой обнаружитель сигнала ИРИ, размещенный на летно-подъемном средстве, перемещается в пространстве по свободной траектории на заданной высоте h в плоскости, параллельной поверхности Земли, вне зоны электромагнитной доступности (ЭМД) наземного ИРИ ССС, в моменты обнаружения/потери сигнала исследуемого ИРИ измерительное устройство запоминает координаты N точек (N≥5) собственного местоположения, по координатам N точек восстанавливают эллипсовидное горизонтальное сечение зоны ЭМД, представляющей собой конус с вершиной в точке размещения ИРИ, по значениям параметров сечения (координат центра, размеров большой и малой полуосей, угла поворота эллипса) и высоты h вычисляют азимутальное θ и угломестное γ направление на ИРИ из центра сечения, после чего определяют координаты наземного ИРИ ССС как точку пересечения прямой, направленной на источник, с поверхностью Земли.