Способ местоопределения источников декаметрового радиоизлучения Российский патент 2023 года по МПК G01S5/02 G01S13/02 

Изобретение относится к радиопеленгации и может быть реализовано в системах радиоконтроля и радиолокации для местоопределения источника радиоизлучения (ИРИ) по частоте, азимуту и углу места приходящей ионосферной радиоволны.

Традиционным методом определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) является триангуляционный метод, предполагающий наличие сети пеленгационных пунктов, объединенных единой системой управления (Патент RU №2490661 С1, МПК G01S 1/08 - 20.08.2013, Бюл. №23). Он основан на одновременном использовании нескольких KB пеленгаторов. Для высокой точности местоопределения ИРИ необходим разнос между пунктами пеленгации в несколько сотен километров с обязательным наличием системы связи между ними. К недостаткам метода можно также отнести различие условий прохождения радиоволн на трассах определения пеленга, вплоть до отсутствия приема радиосигнала, что может приводить к ошибкам определения координат ИРИ.

Способ однопунктового местоопределения ИРИ (Патент RU №2523650 С2, МПК G01S 5/00 - 20.07.2014, Бюл. №20) заключается в моделировании модов распространения сигналов с сетки дальностей, определение по углам прихода модов фазового набега в антенных элементах (АЭ) круговой антенной решетки (АР). Далее эти фазовые набеги вычитаются из сигнала от АЭ, квадратично детектируются и усредняются по количеству АЭ АР. Пеленг и дальность до ИРИ определяется по минимуму результатов усреднения, взвешенному пропорционально числу лучей. Предлагается использовать станцию ВЗ, которая определяет высоты и критические частоты ионосферных слоев или месячные прогнозы. Недостатком данного способа является ограниченная возможность применения - только для односкачковых трасс с углами места более 10 градусов, невозможность правильной оценки принимаемого сигнала, того что он соответствует определенным условиям и как следствие низкая вероятность правильного местоопределения ИРИ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ местоопределения источников радиоизлучения (Патент RU №94017080 А1, МПК G01S 3/02 - 27.05.1996), в котором с целью повышения точности определения координат ИРИ дополнительно измеряют наклонную дальность до ИРИ. Для определения наклонной дальности применяют возвратно-наклонное зондирование (ВНЗ) ионосферы на частоте, близкой к частоте ИРИ. Измеряют время задержки импульса обратного отражения ВНЗ от земной поверхности в районе местонахождения ИРИ, принятого на разностную диаграмму направленности (ДН) широкобазисной антенно-фидерной системы. Предварительно ДН устанавливается по азимуту и углу места радиоволны ИРИ.

Данное изобретение принято за прототип. Измеряется задержка импульса по переднему фронту на временной развертке сигнала ВНЗ. Термин «наклонная дальность» в прототипе эквивалентен минимальному групповому пути распространения Р_m сигнала, рассеянного вблизи границы освещенной зоны D_m для заданной частоты. Дальность до ИРИ - D_m определяют по формуле D_m=Р_mcosΔ, где Δ - угол места приходящей радиоволны (Фиг. 1).

Основной недостаток прототипа заключается в том, что помимо сигналов, рассеянных от участков земной поверхности, расположенных близи границы освещенной зоны, регистрируются сигналы, отраженные от выделенных объектов на земной поверхности и рассеивающих образований в ионосфере. Это приводит к ошибкам местоопределения ИРИ. Другим недостатком является использование приближенной связи минимального группового пути с дальностью, которая неприменима для больших дальностей до ИРИ.

Целью заявляемого изобретения является повышение точности местоопределения источников декаметрового радиоизлучения угломерно-дальномерном методом за счет того, что дальность до источника радиоизлучения определяют по переднему фронту диагностического сигнала возвратно-наклонного зондирования путем корректировки углов места приходящей радиоволны для различных удалений от точки приема в секторе поиска.

Суть способа заключается в том, что координаты ИРИ вычисляют путем измерения угла прихода радиоволны в азимутальной плоскости (пеленга) (ϕ_ИРИ) от ИРИ, угла прихода волны в вертикальной плоскости (угол места Δ_ИРИ), и определения дальности до ИРИ (D_ИРИ) по данным возвратно-наклонного зондирования ионосферы. Дальность D_ИРИ определяют из дальностно - угловой характеристики (ДУХ) D(Δ), полученной путем корректировки прогнозных углов места приходящей радиоволны, рассчитанных по медианной модели ионосферы для различных удалений от точки приема, по переднему фронту диагностического сигнала ВНЗ в секторе поиска без адаптации параметров ионосферы.

Определение дальности до ИРИ по данным ВНЗ включает:

1. Выделение переднего фронта сигнала ВНЗ на ионограмме.

2. Определение максимальной применимой частоты (МПЧ) мода распространения на сетке дальностей в секторе зондирования.

3. Корректировка угловых частотных характеристик (УЧХ) наклонного распространения на сетке дальностей по МПЧ.

4. Построение дальностно-угловой характеристики D(Δ) для частоты радиоизлучения источника, используя скорректированные УЧХ на сетке дальностей.

5. Определение дальности D_ИРИ до ИРИ по углу места Δ_ИРИ и определение координат ИРИ по пеленгу ϕ_ИРИ и D_ИРИ.

Суть способа поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг. 1 - Эквивалентная траектория распространения радиоволны;

Фиг. 2 - Частотные зависимости минимального группового пути (сплошная линия), дальности до границы освещенной зоны (штриховая линия) и реальный передний фронт сигнала ВНЗ (линия с точками);

Фиг. 3 - Частотные зависимости угла прихода радиоволны на сетке дальностей;

Фиг. 4 - Дальностно-угловая характеристика D(Δ) для различных частот.

Возвратно-наклонное зондирование проводят в направлении азимута прихода радиоволны от ИРИ. В результате зондирования регистрируется ионограмма - матрица амплитуд рассеянных земной поверхностью сигналов с координатами: частота - групповой путь. Максимум на амплитудной развертке сигнала ВНЗ на частоте f формируется сигналами, рассеянными на границе освещенной зоны D_m, в области фокусировки, где происходит слияние верхнего и нижнего лучей падающего поля. Задержка максимума близка к минимальной задержке распространения рассеянного сигнала, или минимальному групповому пути Р_m. Минимальный групповой путь Р_m(f) слабо меняется при изменении параметров ионосферы и является адиабатическим инвариантом на относительной сетке частот где - МПЧ для максимальной дальности распространения сигнала ВНЗ. Также адиабатическим инвариантом на относительной сетке частот v является отношение Р_m/D_m.

1. Выделение переднего фронта сигнала ВНЗ на ионограмме проводят на основе адиабатической зависимости минимального группового пути на относительной сетке частот v с использованием модельной частотной зависимости (f) и результатов вторичной обработки данных зондирования - массив моментов прихода рассеянного сигнала со значимой амплитудой

Моделирование минимального группового пути проводят методом «кривых передачи» (Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. стр. 342-345). Соотношение между частотой f волны, падающей наклонно на ионосферный слой, и частотой эквивалентной вертикальной волны f_v, связаны по закону секанса:

В отличие от плоского волновода (k=1), поправочный коэффициент k за счет сферичности Земли зависит от длины трассы. Опорные значения функции k(D) для средних ионосферных условий приведены в табл. 1. Частотная зависимость действующей высоты эквивалентной волны h'(f_v) называется ВЧХ.

Исходя из геометрии радиотрассы (Фиг. 1), дальность распространения радиоволны, выходящей под углом Δ, определяется выражением:

где

R - радиус земли.

Угол падения ϕ волны записывается в виде:

Для заданной высотно-частотной характеристики h'(f_v) и частоты f, определяемой выражением (1), уравнение (2) для фиксированной дальности D имеет два решения относительно угла выхода Δ, соответствующих различным значениям h'(f_v) - нижний и верхний лучи. Решения уравнения (2) на сетке дальностей определяют дальностно-угловую характеристику D(Δ). Минимум в зависимости D(Δ) соответствует дальности до границы освещенной зоны D_m. Частота f для этой дальности, где смыкаются верхний и нижние лучи, называется максимальной применимой частотой радиосвязи f_m. Групповой путь распространения волны по значениям h' и Δ вычисляют по формуле:

На основе расчета группового пути нижнего и верхнего лучей на сетке дальностей определяют дистанционно-угловую характеристику Р(Δ) для фиксированной частоты зондирования. Минимум в зависимости Р(Δ) соответствует минимальному групповому пути распространения Р_m. По результатам расчета Р_m и D_m на сетке рабочих частот по ВЧХ, полученной из медианной модели ионосферы, определяют частотные зависимости Угловую частотную характеристику Δ^mod(f) для фиксированной дальности D рассчитывают по h'(f_v), используя закон секанса (1), на основе выражений:

Для выделения переднего фронта на ионограмме характеристику пересчитывают на относительную сетку частот и строят модельную маску относительно в виде полосы шириной ΔР. Значение ΔР подбирается, исходя из разрешения ионозонда по дальности, порядка 40÷60 км. Для экспериментального набора значений группового пути определяют возможную область нахождения реальной частоты соответствующей максимальной дальности скачка. Нижней границей этой области является значение критической частоты слоя в точке излучения. Верхней - частота заведомо больше реальной (например, предельная частота зондирования). В цикле по частоте, значения (f, P)_k переводят на относительную сетку частот где пробегает весь указанный диапазон с некоторым шагом, и подсчитывают число экспериментальных точек, попадающих в модельную маску. По максимуму гистограммы распределения числа экспериментальных точек, попадающих в модельную маску определяют реальную частоту масштабирования Умножением v на вычисленное значение прогнозные значения Р_m(v) переносят на частотную шкалу f. В результате, получают масштабированную прогнозную которую принимают за границу переднего фронта сигнала ВНЗ на ионограмме -

2. Определение МПЧ мода распространения на сетке дальностей в секторе зондирования проводят следующим образом. По заданной дальности D₀ с использованием зависимости определяют прогнозную МПЧ мода распространения и вычисляют отношение (Фиг. 2). Далее, на переднем фронте определяется частота для которой групповой путь равен значению

3. Корректировку угловых частотных характеристик (УЧХ) наклонного распространения на сетке дальностей по МПЧ проводят следующим образом. По прогнозной ВЧХ рассчитывают зависимость Δ^mod(β) для дальности D₀ на относительной сетке частот Реальную УЧХ восстанавливают из прогнозных характеристик Δ^mod(β) умножением β на Таким образом, УЧХ для радиотрассы заданной длины D₀ есть масштабированная прогнозная УЧХ с коэффициентом

4. Построение дальностно - угловой характеристики D(A) для частоты радиоизлучения источника проводят по скорректированным УЧХ сигналов наклонного распространения на сетке дальностей (Фиг. 3 и Фиг. 4).

5. Определение дальности D_ИРИ до ИРИ по углу места Δ_ИРИ проводят по скорректированной дальностно - угловой характеристике D(Δ) для частоты радиоизлучения источника. Координаты местоположения ИРИ рассчитывают по пеленгу ϕ_ИРИ и D_ИРИ.

Преимуществами заявляемого способа местоопределения ИРИ по сравнению с известными способами являются:

- повышение точности определения дальности до ИРИ с использованием данных ВНЗ в секторе местоопределения;

- отсутствие адаптации параметров ионосферы для коррекции прогнозной дальностно-угловой характеристики приходящей радиоволны;

- возможность использования упрощенных, технически реализуемых алгоритмов расчета характеристик распространения декаметровых радиоволн.

Изобретение относится к радиопеленгации и может быть реализовано в системах радиоконтроля и радиолокации для местоопределения источника декаметрового радиоизлучения по частоте, азимуту и углу места приходящей ионосферной радиоволны с использованием данных возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) ионосферы. Техническим результатом является повышение точности местоопределения источников декаметрового радиоизлучения угломерно-дальномерном методом. Заявленный способ заключается в определении дальности до источника радиоизлучения (ИРИ) по переднему фронту диагностического сигнала ВНЗ путем корректировки рассчитанных по медианной модели ионосферы углов места приходящей радиоволны для различных удалений от точки приема в секторе поиска. Для этого способ включает прием и измерение азимута и угла места ионосферной радиоволны от ИРИ, ВНЗ ионосферы в направлении азимута прихода радиоволны, выделение переднего фронта сигнала ВНЗ на ионограмме, определение максимальных применимых частот (МПЧ) наклонного зондирования на сетке дальностей по переднему фронту сигнала ВНЗ, корректировку прогнозных угловых частотных характеристик наклонного распространения на сетке дальностей по МПЧ и определение дальности до ИРИ по частоте и углу места и расчет координат местоположения. 4 ил., 1 табл.

Способ местоопределения источников радиоизлучения угломерно-дальномерным методом в декаметровом диапазоне радиоволн, включающий измерения наклонной дальности до источника радиоизлучения с использованием возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) ионосферы, отличающийся тем, что дальность до источника радиоизлучения определяют по переднему фронту диагностического сигнала возвратно-наклонного зондирования, выделение которого на ионограмме проводят на основе адиабатической зависимости минимального группового пути Р_m на относительной сетке частот ν с использованием модельной частотной зависимости минимального группового пути и результатов вторичной обработки данных зондирования – массива моментов прихода рассеянного сигнала со значимой амплитудой , в результате чего получают масштабированную прогнозную частотную зависимость минимального группового пути которую принимают за границу переднего фронта сигнала ВНЗ на ионограмме далее проводят по заданной дальности радиотрассы D₀ определение максимальной применимой частоты мода распространения на сетке дальностей в секторе зондирования с использованием зависимости , определяя прогнозную максимально применимую частоту мода распространения и вычисляя отношение , с использованием которого на переднем фронте сигнала ВНЗ на ионограмме определяют частоту для которой групповой путь равен значению , которую принимают за максимально применимую частоту мода распространения, после чего проводят корректировку угловых частотных характеристик (УЧХ) Δ^mod(f) наклонного распространения на сетке дальностей по найденной максимально применимой частоте рассчитывая по прогнозной высотно-частотной характеристике зависимость Δ^mod(β) для дальности D₀ на относительной сетке частот при этом реальную УЧХ восстанавливают из прогнозных характеристик Δ^mod(β) умножением β на затем проводят построение дальностно-угловой характеристики D(Δ) для частоты радиоизлучения источника, используя полученные скорректированные УЧХ сигналов наклонного распространения на сетке дальностей, определение дальности D_ИРИ до источников радиоизлучения по углу места Δ_ИРИ проводят по скорректированной дальностно-угловой характеристике D(Δ) для частоты радиоизлучения источника, а координаты местоположения источников радиоизлучения рассчитывают по пеленгу ϕ_ИРИ от ИРИ, углу места Δ_ИРИ и определенной дальности до ИРИ D_ИРИ.