Способ определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата с использованием триортогональной антенной системы - RU2714502C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиомониторинга при решении задачи скрытного определения координат источников радиоизлучений (ИРИ), в частности для определения координат ИРИ с борта летательного аппарата (ЛА).

Известен способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов (CP) [1]. Указанный способ заключается в том, что на основе измерений временных задержек и частотных сдвигов между переданными и принятыми тестовыми сигналами системы, с учетом известных координат первого и второго спутников-ретрансляторов CP₁, СР₂, векторов их скоростей

координат узла межсетевого сопряжения (УМС) и предварительно заданных частот конвертирования рабочих частот CP₁, СР₂, вычисляют широту ϕ_ПТ и долготу λ_ПТ пользовательского терминала (ПТ).

Для реализации указанного известного способа выполняют следующие этапы:

определяют расстояние

между первым CP₁ и ПТ;

определяют расстояние

между вторым СР₂ и ПТ;

измеряют модуль

азимут α_ПТ вектора скорости пользовательского терминала и его высоту h_ПТ относительно земной поверхности;

вычисляют в УМС доплеровские сдвиги частот

и первого и второго узкополосных тестовых сигналов, обусловленные радиальными скоростями ПТ относительно CP₁ и СР₂, для чего предварительно определяют вероятные местоположения ПТ с учетом известных координат CP₁, СР₂ и определенных параметров и ;

определяют, по меньшей мере, один из параметров: радиальную скорость

перемещения первого CP₁ относительно ПТ, и/или радиальную скорость перемещения второго СР₂ относительно ПТ, с учетом доплеровских сдвигов частот и ;

вычисляют широту ϕ_ПТ и долготу λ_ПТ ПТ.

При таком способе обеспечивается высокая точность определения координат пользовательского терминала в широком диапазоне скоростей его перемещения за счет определения частотных сдвигов сигналов системы.

Недостатками аналога являются: длительное время определения координат ПТ, связанное с необходимостью проведения дополнительных измерений модуля, азимута вектора скорости ПТ и его высоты относительно земной поверхности; необходимость ответной передачи тестовых сигналов с ПТ, чьи координаты необходимо определить в УМС через СР.

Известен способ определения координат ИРИ с использованием летательного аппарата [2]. Указанный способ заключается в том, что:

выбирают 3-мерную декартову систему координат (ДСК) для производства измерений и расчетов;

размещают измеритель на ЛА;

перемещают указанный ЛА в пространстве;

принимают радиосигнал ИРИ в заданной полосе частот ΔF;

измеряют и запоминают первичные координатно-информативные параметры принятого радиосигнала, в качестве которых используют амплитуды напряженности электрического поля (АНЭП), создаваемее ИРИ в точках приема;

измеряют и запоминают вторичные параметры (ВП) - координаты местоположения ЛА;

многократно измеряют и запоминают совокупности АНЭП E_n (где n=1…N) и ВП - координаты ЛА в 3-х мерной ДСК x_n, y_n и z_n в процессе перемещения ЛА;

вычисляют N-1 коэффициентов окружностей Апполония, как отношений АНЭП, перемноженных на обратные отношения высот ЛА в соответствующих точках измерения;

формируют N-1 сферических поверхностей положения (СПП) ИРИ путем построения и последующего вращения окружностей Апполония вокруг осей, соединяющих соответствующие фокусы;

в качестве координат ИРИ в пространстве принимают координаты точки пересечения N-1 указанных СПП ИРИ.

В указанном способе компенсируется ошибка определения координат ИРИ на плоскости на основе использования СПП ИРИ, формируемых вращением окружностей Апполония вокруг осей, соединяющих соответствующие фокусы.

Недостатком аналога являются длительное время определения координат ИРИ, связанное с необходимостью измерения N≥5 раз совокупности АНЭП и ВП в процессе перемещения ЛА.

Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по своей технической сущности является способ определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата [3] заключающийся в том, что: принимают радиосигналы триортогональной антенной системы (ТОАС), измеряют координаты центров и углы ориентации ТОАС в различные моменты времени, затем формируют вспомогательные плоскости положения ИРИ, определяют линии положения ИРИ как линии пересечения каждой из вспомогательных плоскостей положения ИРИ с поверхностью Земли и вычисляют координаты ИРИ в точке пересечения линий положения ИРИ.

Недостатком способа прототипа является относительно низкая точность определения координат ИРИ с борта летательного аппарата, обусловленная предположением, что ИРИ находится на поверхности Земли, причем в качестве поверхности Земли выступает плоскость.

Целью изобретения является разработка способа, обеспечивающего более высокую точность определения координат ИРИ при возможном нахождении его на некоторой высоте от поверхности Земли в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения координат ИРИ с борта ЛА с использованием ТОАС, заключающемся в том, что выбирают декартову систему координат (ДСК) O_ЗX_ЗY_ЗZ_З для производства измерений и расчетов, размещают измерительную аппаратуру, оснащенную ТОАС, на летательном аппарате, который перемещают в пространстве, измеряют координаты центров ТОАС О₁ и O₂ и углы ориентации ТОАС в моменты времени t₁ и t₂, выбирают дополнительные ДСК O₁X₁Y₁Z₁ и O₂X₂Y₂Z₂ для производства измерений и расчетов с учетом координат центров ТОАС и углов ориентации ТОАС в моменты времени t₁ и t₂, измеряют в моменты времени t₁ и t₂ с помощью ТОАС ортогональные компоненты Е_х1, Е_у1, E_z1 и Е_х2, Е_у2, E_z2 векторов напряженности электрического поля

и принятого аналогового радиосигнала, определяют ориентацию векторов напряженности электрического поля и в ДСК O₁X₁Y₁Z₁ и O₂X₂Y₂Z₂ соответственно путем векторного сложения ортогональных компонент Е_х1, Е_у1, E_z1 и Е_х2, Е_у2, E_z2, строят вспомогательные плоскости Ω_E1 и Ω_E2, так, что бы они были перпендикулярны векторам и соответственно и проходили через начала координат О₁ и O₂, вычисляют координаты ИРИ с учетом вспомогательных плоскостей Ω_E1 и Ω_E2 в качестве ТОАС используют комбинированную триортогональную антенную систему (КТОАС), состоящую из трех антенных элементов (АЭ) в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных АЭ.

Дополнительно в моменты времени t₁ и t₂ измеряют с помощью трех рамочных АЭ ортогональные компоненты H_x1, H_y1, H_z1 и H_x2, H_y2, H_z2 векторов напряженностей магнитного поля

и принятых аналоговых радиосигналов. Определяют ориентацию векторов и в ДСК O₁X₁Y₁Z₁ и O₂X₂Y₂Z₂ соответственно путем векторного сложения ортогональных компонент H_x1, H_y1, H_z1 и H_x2, H_y2, H_z2.

Строят вспомогательные плоскости Ω_H1 и Ω_H1 так, что бы они были перпендикулярны векторам

и и проходили через начала координат O₁ и O₂. Строят линии положения ИРИ и на пересечении вспомогательных плоскостей Ω_E1, Ω_H1 и Ω_E2, Ω_H2 соответственно.

Вычисляют координаты ИРИ в точке пересечения линий положения ИРИ

и

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков, в том числе за счет использования КТОАС, состоящей из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных АЭ, достигается цель изобретения: повышение точности определения координат ИРИ в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС. Повышение точности определения координат ИРИ объясняется устранением погрешности, связанной с определением высоты ИРИ над поверхностью Земли, которая в способе прототипе принимается равной нулю, а в предлагаемом способе может быть произвольной.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 положение вектора Пойтинга

а также векторов и в момент времени t₁;

на фиг. 2 положение вектора Пойтинга

а также векторов и в момент времени t₂;

на фиг. 3 конфигурация КТОАС в ДСК;

на фиг. 4 конфигурация части КТОАС - трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа в ДСК;

на фиг. 5 ортогональные компоненты Е_х1, Е_у1, E_z1 вектора напряженности электрического поля

в момент времени t₁ в ДСК O₁X₁Y₁Z₁;

на фиг. 6 конфигурация части КТОАС - трех рамочных АЭ в ДСК;

на фиг. 7 ортогональные компоненты Н_х1, Н_у1, H_z1 вектора напряженности магнитного поля

в момент времени t₁ в ДСК O₁X₁Y₁Z₁;

на фиг. 8 временные диаграммы ортогональных компонент Е_х, Е_у, E_z, принятых на АЭ 4, 5 и 6 КТОАС, а также их значения Е_х1, Е_у1, E_z1 и Е_х2, Е_у2, E_z2, измеренные в моменты времени t₁ и t₂ соответственно;

на фиг. 9 временные диаграммы ортогональных компонент Н_х, Н_у, H_z, принятых на АЭ 7, 8 и 9 КТОАС, а также их значения Н_х1, Н_у1, H_z1 и H_x2, H_y2, H_z2, измеренные в моменты времени t₁ и t₂ соответственно;

на фиг. 10 графическое представление вспомогательных плоскостей Ω_E1 и Ω_H1 в ДСК O₁X₁Y₁Z₁;

на фиг. 11 графическое представление вспомогательных плоскостей Ω_E2 и Ω_H2 в ДСК O₂X₂Y₂Z₂,

на фиг. 12 графическое представление определения координат ИРИ как пересечения линий положения ИРИ

и

Определение координат ИРИ является важным составным элементом мониторинга сигналов. Достоинством системы ОМП ИРИ является скрытность при определении координат вследствие отсутствия активного излучения. Размещение технических средств системы ОМП на ЛА и в том числе на беспилотных ЛА позволяет существенно расширить зону мониторинга с возможностью осуществлять обнаружение и определение координат ИРИ в труднодоступных районах.

Использование ЛА в качестве платформы для развертывания средств радиомониторинга приводит к возникновению ряда проблем, основными из которых являются:

увеличение уровня помех и связанное с ним снижение отношения сигнал/шум на входе бортового радиоприемного устройства;

ограничение массогабаритных показателей полезной нагрузки на ЛА, которые не позволяют разместить на нем эффективные антенные системы и многоканальные радиоприемные устройства;

нестабильность ориентации ЛА в пространстве, которая приводит к резкому увеличению ошибок пеленгования и к снижению точности определения координат ИРИ.

Большинство способов определения координат ИРИ основано на пеленговании радиосигналов несколькими измерителями, либо одним, перемещающимся в пространстве измерителем. При этом точность пеленгования радиосигналов неизвестной поляризации классическими способами, ориентированными на обработку электромагнитного поля определенной поляризации, дает значительные погрешности пеленгования, если поляризационные характеристики пеленгаторной АС не согласованы с поляризацией падающих волн. Повышение точности пеленгования в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгаторной антенной системы, то есть разнесением в пространстве антенных элементов пеленгаторной антенной системы.

Существует возможность определения координат ИРИ с помощью сосредоточенной АС, способной определить поляризацию радиосигнала в точке приема.

Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора напряженности магнитного

или электрического поля в фиксированной точке пространства.

На фиг. 1 отображены ИРИ 1 и измеритель 2 параметров электромагнитной волны в момент времени t₁.

На фиг. 2 отображены ИРИ 1 и измеритель 3 параметров электромагнитной волны в момент времени t₂.

Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии. Для характиристики этого явления вводят вектор Пойтинга

Он определяет направление и величину плотности потока мощности электромагнитного поля от ИРИ в каждой точке пространства.

Вектор Пойтинга

совпадает с направлением распространения электромагнитной волны и является результатом векторного произведения векторов напряженности электрического и магнитного полей, то есть образует вместе с ними правую тройку векторов.

На фиг. 1 и фиг. 2 отображены положения векторов Пойтинга

а также векторов напряженности электрического и магнитного полей в разнесенных точках пространства в моменты времени t₁ и t₂ соответственно.

Кроме того, на фиг. 1 и фиг. 2 показана часть фазовых фронтов волны Ω₁ и Ω₂, определяемых как поверхность одинаковых фаз векторов поля (

или ) перпендикулярных направлению распространения электромагнитной волны.

Сопоставив векторы напряженностей магнитного поля

и в моменты времени t₁ и t₂ возможно определить координаты ИРИ.

В способе используют КТОАС, состоящая из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа 4, 5 и 6 и трех рамочных АЭ 7, 8 и 9 (см. фиг. 3).

В предлагаемом способе для момента времени t₁ используют ДСК O₁X₁Y₁Z₁, в которой центр координат O₁ совмещен с центром КТОАС, оси O₁X₁, O₁Y₁ и O₁Z₁ направлены вдоль АЭ 4, 5 и 6. Кроме того, оси O₁X₁, O₁Y₁ и O₁Z₁ перпендикулярны АЭ 7, 8 и 9 соответственно (см. фиг. 3).

Аналогично, для момента времени t₂ используют ДСК O₂X₂Y₂Z₂, в которой центр координат О₂ совмещен с центром КТОАС, оси О₂Х₂, O₂Y₂ и O₂Z₂ направлены вдоль АЭ 4, 5 и 6. Кроме того, оси О₂Х₂, O₂Y₂ и O₂Z₂ перпендикулярны АЭ 7, 8 и 9 соответственно.

Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности электрического поля

в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа АЭ 4, 5 и 6 (см. фиг. 4).

Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля Е_х1, Е_у1, E_z1, измеренных на АЭ 4, 5 и 6 КТОАС соответственно в момент времени t₁ составляет вектор напряженности электрического поля

(см. фиг. 5).

Аналогично, векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля Е_х2, Е_у2, E_z2, измеренных на АЭ 4, 5 и 6 КТОАС в момент времени t₂ составляет вектор напряженности электрического поля

На фиг. 8 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Е_х, Е_у, E_z, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 4, 5 и 6 КТОАС соответственно. В моменты времени t₁ и t₂ измеряют и запоминают значения компонент Е_х1, Е_у1, E_z1 и Е_х2, Е_у2, E_z2 с помощью АЭ 4, 5 и 6 КТОАС соответственно.

Строят вспомогательные плоскости Ω_E1 и Ω_E2, ортогональные векторам напряженности электрического поля

и и проходящие через центры КТОАС в моменты времени t₁ и t₂, которые совмещены в свою очередь с началами ДСК O₁X₁Y₁Z₁ и O₂X₂Y₂Z₂ соответственно (см. фиг. 10 и фиг. 11). Вспомогательные плоскости Ω_E1 и Ω_E2 описываются уравнениями:

Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности магнитного поля

в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех ортогональных рамочных антенн АЭ 7, 8 и 9 (см. фиг. 6).

Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей магнитного поля H_x1, H_y1, H_z1, измеренных на АЭ 7, 8 и 9 КТОАС соответственно в момент времени t₁ составляет вектор напряженности магнитного поля

(см. фиг. 7).

Аналогично, векторная сумма ортогональных компонент напряженностей магнитного поля H_x2, H_y2, H_z2, измеренных на АЭ 7, 8 и 9 КТОАС соответственно в момент времени t₂ составляет вектор напряженности магнитного поля

На фиг. 9 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Н_х, Н_у, H_z, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 7, 8 и 9 КТОАС соответственно. В моменты времени t₁ и t₂ измеряют и запоминают значения компонент Н_х1, Н_у1, H_z1 и H_x2, H_y2, H_z2 с помощью АЭ 7, 8 и 9 КТОАС соответственно.

Строят вспомогательные плоскости Ω_H1 и Ω_H2, ортогональные векторам напряженности электрического поля

и и проходящие через центры КТОАС в моменты времени t₁ и t₂, которые совмещены в свою очередь с началами ДСК O₁X₁Y₁Z₁ и O₂X₂Y₂Z₂ соответственно (см. фиг. 10 и фиг. 11). Вспомогательные плоскости Ω_H1 и Ω_H2 описываются уравнениями:

Строят линию положения ИРИ

на пересечении плоскостей Ω_E1 и Ω_H1. Алгебраически такое построение соответствует решению системы уравнении (1)и(3):

Аналогично строят линию положения ИРИ

на пересечении плоскостей Ω_E2 и Ω_H2. Алгебраически такое построение соответствует решению системы уравнении (2) и (4):

Вычисляют координаты точки пересечения линий положения ИРИ

и решая систему уравнений (1), (2), (3) и (4):

Решением данной системы будут координаты точки пересечения линий положения ИРИ

и Полученные координаты принимают в качестве координат ИРИ.

Реализация заявленного способа преимущественно целесообразна при размещении КТОАС на подвижном объекте, в частности на ЛА. При этом необходимо с высокой точностью определять координаты ЛА и углы ориентации ЛА.

Совместное имитационное моделирование заявленного способа определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата и способа прототипа показало повышение точности определения координат ИРИ на 5…15% (в зависимости от высоты ИРИ над поверхностью Земли), в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, что указывает на возможность достижения указанного технического результата.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Способ определения местоположения пользовательского терминала с использованием двух спутников-ретрансляторов. Патент RU №2605457, опубл. 20.12.2016 Бюл. №35.

2. Агиевич С.Н., Дворников С.В., Земсков Д.С., Севидов В.В., Федоренко И.В. Способ определения координат источника радиоизлучения с использованием летательного аппарата. Патент RU №2644580, опубл. 13.02.2018 Бюл. №5.

3. Богдановский С.В., Гайдин А.П., Клишин А.В., Симонов А.Н. Способ определения координат источника радиоизлучений с борта летательного аппарата Патент RUS №2619915, опубл. 19.05.2017 Бюл. №14.

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиомониторинга при решении задачи скрытого определения координат источника радиоизлучения (ИРИ), в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, в частности для определения координат ИРИ с борта летательного аппарата (ЛА). Технический результат – повышение точности определения координат ИРИ на основе использования комбинированной триортогональной антенной системы (КТОАС), состоящей из трех антенных элементов в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных антенных элементов. Способ основан на измерении с помощью КТОАС ортогональных компонент Е, Е, Eи Е, E, Eвекторов напряженности электрического поляиа также ортогональных компонент H, H, Hи H, H, Hвекторов напряженности магнитного поляив различных точках пространства расположения ЛА в моменты времени tи t, определении ориентации векторовив пространстве, построении вспомогательных плоскостей Ω, Ω, Ωи Ω, построении линий положения ИРИина пересечении вспомогательных плоскостей Ω, Ωи Ω, Ωсоответственно, вычислении координат ИРИ в точке пересечения линий положения ИРИи12 ил.

Формула