АО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы» logo

Статьи

автор

Акционерное общество «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы»

Сравнительная оценка разностно-дальномерного и угломерного(пеленгационного) методов определения координат ИРИ


avatar author

Автор: Овчаренко Леонид Александрович,

доктор технических наук, доцент

На практике для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) применяют угломерный (пеленгационный), дальномерный, суммарно-дальномерный, разностно-дальномерный методы, а также их комбинации [1].

Из описания указанных методов можно выделить их характерные особенности.

Так, для реализации дальномерного и суммарно-дальномерного метода на приемных пунктах должна быть известна структура сигнала. В связи с этим среди перечисленных выше типов РЭС такие методы могут быть применены лишь для местоопределения абонентских терминалов (АТ) сотовой связи, поскольку их функционирование принципиально возможно только под управлением базовой станции, которая в процессе радиообмена всегда измеряет дальность до АТ.

Для угломерного (УМ) и разностно-дальномерного методов (РДМ) не требуются информация о точной структуре сигнала, а достаточно указать лишь область спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Причем, все больше производителей техники определения координат ИРИ обращают внимание на РДМ, в связи с появлением недорогих компактных вычислительных ресурсов и усовершенствованных технологий радиоприема, доступностью каналов передачи данных, а также наличием точных распределяемых сигналов хронирования.

В таблице приводятся результаты анализа достоинств и недостатков традиционных вариантов построения РДМ (с жесткой синхронизацией периферийных приемных пунктов) в сравнении с УМ, заимствованные из отчета Международного союза электросвязи МСЭ-R SM.2211.

Таблица

Более простые требования к антенне

Антенна является дешевой, несложной и может иметь небольшой размер.

Приемники РДМ могут использовать одну простую антенну (например, несимметричный или симметричный вибратор). Дополнительным преимуществом является то, что можно изготовить малозаметную антенну небольшого размера.

Более простые требования к выбору места и калибровке

Для РДМ требования к выбору места являются менее жесткими, чем для УМ, и калибровка практически не требуется.

В результате развертывание оборудования РДМ осуществляется быстрее. Можно установить дополнительные приемники РДМ, для того чтобы преодолеть влияние затенения от высоких препятствий.

В системе УМ места должны выбираться таким образом, чтобы свести к минимуму искажение фронта волны, обусловленное вторичными излученными локальных препятствий, отражениями от земли и изменением проводимости почвы. Некоторые антенные решетки системы УМ должны быть калиброваны после установки на месте, для того чтобы свести к минимуму результирующие ошибки, зависящие от частоты и направления.

Широкополосные сигналы, сигналы с низким ОСШ, а также сигналы малой длительности

Метод РДМ эффективно работает с новыми и появляющимися сигналами, характеризующимися сложными методами модуляции, широкой полосой и малой длительностью. С увеличением ширины полосы сигнала степень эффективности РДМ, как правило, возрастает.

Метод УМ, эффективно работает с узкополосными сигналами. Усовершенствованные методы УМ могут применяться для определения местоположения любых сигналов, в том числе широкополосных, сложных и коротких.

Степень эффективности УМ, в приближении, не зависит от ширины полосы сигнала, при условии, что разнос каналов, подвергающихся быстрому преобразованию Фурье (БПФ), равен ширине полосы сигнала.

Оба метода, РДМ и УМ, эффективнее работают с сигналами, имеющими более высокие ОСШ, и при большем времени интегрирования. Выигрыш за счет корреляционной обработки позволяет с помощью методов РДМ обнаруживать и определять местоположение сигналов с низким (и даже отрицательным) ОСШ. Кроме того, он позволяет задействовать при определении географического местоположения дополнительные приемники РДМ.

Сигналы с низким ОСШ могут обрабатываться с помощью усовершенствованных методов УМ, например корреляционных методов УМ с повышенной разрешающей способностью или со вспомогательными данными (опорная радиопеленгация).

Определение географического местоположения источников сигналов малой длительности требует координированной работы приемников, синхронизированных по времени до доли величины, обратно пропорциональной ширине полосы сигнала. Обеспечение такой возможности является непременным условием работы систем РДМ. Кроме того, методом РДМ можно определить географическое местоположение на основе измерений очень малой длительности, проводимых в отношении сигналов большей длительности.

Если элементы антенны УМ коммутированы, то необходимое время интегрирования будет меньше.

Сложность системы

Приемник и антенна системы РДМ являются более простыми, чем типовая антенная решетка и двух- или многоканальный приемник системы УМ.

Приемнику системы РДМ требуется как минимум один РЧ канал в реальном времени для обработки без задержки и с максимальной вероятностью перехвата сигнала (1).

Подавление некоррелированных шумов и помех

С помощью корреляционной обработки, используемой в РДМ, можно подавлять сигналы на совпадающей частоте, совпадающий по времени шум и сигналы помех, которые некоррелированы между местами проведения измерений. Это свойство позволяет системе определять географическое местоположение источников сигналов с низкими отношениями сигнала к помехе и шуму (низкое отношение SINR).

Усовершенствованные системы УМ могут ослаблять влияние некоррелированных и совпадающих по времени помех на совпадающей частоте путем использования корреляции с опорными сигналами. Другие усовершенствованные методы обработки, например MUSIC могут быть устойчивыми к некоррелированным шумам и помехам. Однако такие методы требуют дорогостоящих вычислений и не получили широкого применения при осуществлении контроля за использованием спектра.

Ослабление влияния когерентных помех на совпадающей частоте (многолучевости) при определенных условиях

Степень эффективности УМ и РДМ, снижается в условиях многлучевости - когерентных помех на совпадающей частоте. Воздействие на каждый метод различается в зависимости от положения датчика по отношению к многолучевым отражениям.

При достаточной ширине полосы сигнала метод РДМ менее чувствителен к искажению фронта волны за счет локальных препятствий (локальной многолучевости). Может потребоваться усовершенствованная обработка сигнала для устранения неопределенностей при определении местоположения, вызванных удаленными препятствиями (дистанционная многолучевость). С помощью усовершенствованной обработки можно дополнительно отфильтровать корреляционные пары, используемые при определении местоположения методом РДМ, и улучшить результаты, получаемые в условиях повышенной многолучевости.

При усовершенствованной обработке методом РДМ можно исключить временные задержки при многолучевом распространении между местами проведения измерений, что обеспечивает высокую эффективность в условиях со сложным рельефом местности.

Соображения относительно конфигурации

РДМ и УМ, обеспечивают наибольшую точность, при ИРИ расположеном в центре периметра, образованного местами проведения измерений.

Точность определения географического местоположения методом РДМ определяется геометрическим показателем снижения точности, качеством временной синхронизации и качеством оценки РДМ.

Точность методов УМ напрямую зависит от расстояния между источником и каждым приемником УМ. Неопределенность положения является функцией от неопределенности угла пеленга и расстояния от приемника до оцениваемого положения.

Неопределенность местоположения и пеленга увеличивается с расстоянием одинаково в обоих методах.

Высокая степень пригодности к использованию в сетях РЧ датчиков

В обоих методах, РДМ и УМ, увеличение числа приемников ведет к улучшению результатов.

Метод РДМ хорошо подходит для развертывания многих приемников.

Возможность анализа в полностью автономном режиме на центральном сервере

В системах РДМ могут храниться и регистрироваться скоординированные во времени измерения сигналов от всех приемников, поэтому на центральном сервере можно осуществлять анализ в полностью автономном режиме. Сюда входит спектральный анализ сигнала каждого приемника, кросскорреляционные измерения и определение географического местоположения.

В системах УМ на центральном сервере также могут храниться и регистрироваться некоторые измерения сигналов (например, результаты пеленгации и точность пеленгации). Эти измерения скоординированы во времени до той степени временной синхронизации, которая достижима в системе УМ. Такие измерения, как результаты спектрального анализа и перекрестной корреляции, не являются типовыми, поскольку для них требуется такая же скорость передачи данных по соединительным линиям, как и в РДМ.


(1) В типовых корреляционных системах интерферометрии используется временное разделение для уменьшения числа необходимых приемников. Этим системам требуется два-три приемника, подключенных к пяти, семи или более антеннам. Эти системы являются менее сложными, чем полностью параллельные системы радиопеленгации, однако для определения местоположения им необходима бóльшая минимальная длительность сигнала.


Представленный в таблице качественный анализ достоинств и недостатков УМ и РДМ на первый взгляд свидетельствует о предпочтительности применения для реализации процедуры радиомониторинга РДМ. Вместе с тем, однозначно нельзя утверждать, что данный метод будет предпочтительнее во всех случаях. Поэтому далее проведем более детальное сравнение указанных методов на количественной основе. Для этого воспользуемся показателем в виде эллипса рассеяния ошибок [1,2,3,4], который характеризует разброс ошибок местоопределения конкретными численными показателями – размерами его малой и большой полуосей, а также их наклоном.

Для построения эллипса рассеяния с центром в точке * сначала рассчитываются элементы матрицы точности местоопределения [1] *. Обратной к матрице точности является соответствующая границе Рао-Крамера корреляционная матрица ошибок вычисления координат *, где * - дисперсия по оси *, * - корреляционный момент, * - дисперсия по оси *.

Элементы матрицы точности для УМ вычисляются по формулам [2]:


(1)

где *, * - координаты пеленгаторов, * - общее количество позиций пеленгаторов, * - евклидово расстояние между точками * и * на плоскости, * - среднеквадратичная ошибка (СКО) оценивания пеленга, радиан.

Для РДМ местоопределения элементы матрицы точности вычисляются через матричное произведение [4]:


(2)


где *, *- матрица-строка координат приемных пунктов РДС; * - общее количество позиций приемных пунктов РДС; * - координаты центрального приемного пункта; * - евклидово расстояние между точками * и * на плоскости; * - среднеквадратичная ошибка (СКО) оценивания разности расстояний до ИРИ, метров; * - ковариационная матрица ошибок измерения.

<> Затем рассчитываются размеры большой (*) и малой (*) полуосей эллипса рассеяния и угол (*) его ориентации (угол между большой осью эллипса и положительным направлением оси *, отсчитываемый против часовой стрелки) [2]


(3)


*, -π/2<β≤π/2.

<> После этого в полярной системе координат вычисляются промежуточные координаты границ эллипса с полуосями * и * (с центром в начале координат)

*, *, *, (4)

где * – параметр, определяющий размер и вероятность попадания в эллипс рассеяния (вероятность попадания в эллипс рассеяния с параметром * равна 0.95), * - рассчитываемое количество точек эллипса. В результате переноса центра «промежуточного» эллипса в точку * и его поворота на угол * вычисляемые координаты эллипса рассеяния будут равны

*,
*. (5)

Пример расчета точности определения координат ИРИ.

На рисунках представлен пример расчета зависимости погрешности методов РДМ и УМ от дальности до ИРИ:

на рис.1(2) для РДМ при четырех приемных постах, величине измерительных баз равных 15 км, и максимальной (минимальной) ошибке при СКО = 5 м (точность синхронизации по времени до 20 нс);


на рис.3(4) для УМ при четырех приемных постах, величине измерительных баз равных 15 км, и максимальной (минимальной) ошибке при СКО = 2 градуса.


Выводы:

1. В комплексах РТР (пассивной локации), используемых в интересах ЗРВ и ПВО СВ наиболее предпочтительно использовать метод РДМ, который хорошо подходит для развертывания многих приемников, поскольку в сравнении с УМ они являются менее сложными, имеют меньший размер и энергопотребление, у них более простая антенна, и к местам их развертывания предъявляются менее жесткие требования.

2. Для обеспечения непрерывной азимутальной зоны разведки сигналов ИРИ обеспечения требуемой точности определения координат ИРИ в комплексе РДМ целесообразно использовать не менее четырех приемных постов.


Список использованных источников

1. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.

2. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. - М.: Сов. радио, 1964.

3. Сайбель А.Г. Основы теории точности радиотехнических методов местоопределения. – М.: ОБОРОНГИЗ, 1958.

4. Безуверов Г.В., Герасимов О.И. Алгоритмы пассивной локации в распределенной сети датчиков по разностно-дальномерному методу. – Информационно-измерительные и управляющие системы, №5, т. 6, 2008.

5. Сетевые спутниковые радионавигационные системы/В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев и др. – М.: Радио и связь, 1993.