Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 299 -

Глава 4

использовании той же схемы модуляции. Результатом применения этого вида модуляции является

уменьшение числа ошибок при передаче символов в условиях замираний из-за многолучевого

распространения или в условиях воздействия импульсных помех. При этом может также

уменьшиться восприимчивость к помехам в совмещенном канале и могут упроститься требования к

коррекции. Несущие СОFDМ модулируются отдельно с использованием обычных форматов

цифровой модуляции. Предполагается использовать методы квадратурной фазовой манипуляции

(КФМн) и 16-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (16-КАМ), однако может

использоваться и любая другая схема цифровой модуляции. Система 16-КАМ имеет повышенную

эффективность использования спектра (число передаваемых битов в секунду на герц используемой

ширины полосы), однако уменьшенные допуски на воздействие шума и других помех в канале по

сравнению с системой КФМн. В системе COFDM для генерирования несущей и ее модуляции, а

также для демодуляции несущей обычно применяется цифровая обработка сигналов.

Термин “кодирование” указывает, что перед процессом модуляции и после демодуляции данные

обрабатываются, в результате чего значительно снижается количество ошибок в системе. Поток

данных хорошо защищен с помощью избыточной информации, поэтому может применяться

исправление ошибок. Для различных периодов времени (временнόе перемежение) обеспечиваются

разные уровни защиты, с тем чтобы уменьшить вероятность появления кратных частот (частотное

перемежение) и неисправленных ошибок. Это важно в радиовещательной сети, где отсутствует

возможность запроса на повторение данных – метод, обычно используемый для повышения

надежности двусторонних линий передачи данных.

Cсылки

ANDERSON, J., AULIN, T. AND SUNDBERG, C.-E. [1986] Digital Phase Modulation. Plenum Press New York,

United States of America.

CARLSON, A. B. [1986] Communications Systems. McGraw Hill.

LEE, E. A. and MESSERSCHMIDT, D. G. [1988] Digital Communication. Kluwer, Academic Publishers.

LYMER, A. [April 1994] Digital-modulation scheme processes RF broadcast signals: A technique termed OFDM

reduces the signal degradation due to co-channel interference, noise and multipath. Microwave & RF,

p. 149-159.

MÄUSL, R. [1985] Digitale Modulationsverfahren. Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg (in German).

Technical Instruction [1982] No. 5R4, [07.1982], issued by ARD and ZDF, available from Institut für

Rundfunktechnik GmbH, Floriansmühlstraße 60, D-80939 München (in German).

- 300 -

Глава 4

Литература

Application Note 150-1 [2001] Spectrum Analyzer Amplitude and Frequency Modulation. Agilent Technologies,

Santa Rosa, United States of America, downloadable at http://www.agilent.com/.

BLUE, K., et al. [December 1993] Vector Signal Analyzers for Difficult Measurements on Time-Varying and

Complex Modulated Signals. Hewlett-Packard J., Vol. 44, p. 6-47.

BUES, D. and RIEDEL, P. [1993] Planning digital radio networks using Impulse Response Analyzer PCS and test

tranmitter system. News from Rohde & Schwarz, No. 141, p. 26-27.

EVERS, C. [1991] Communications & Spectrum Analyzer FSAD and FSBC. News from Rohde & Schwarz, No. 134,

p. 11 to 13.

RIEDEL, P. [1991] TS 9955 measures channel impulse response in GSM radio networks. News from Rohde &

Schwarz, No. 137, p. 12-14.

STOKKE, K. N. [April 1986] EBU Rev. Techn., No. 216, p. 81-87.

WOLF, J. [1992] Field-Strength Measurements in DAB Network with Test Receiver ESVB. News from Rohde &

Schwarz, Vol. 139, p. 22-23.

WOLF, J. [1993] Test receivers ESN and ESVN: Top-rounders for signal and EMI measurements. News from Rohde

& Schwarz, No. 141, p. 11-13.

Рекомендации МСЭ-R:

ПРИМЕЧАНИЕ. – В каждом случае следует использовать последнее издание Рекомендаций.

Рекомендация МСЭ-R SM.328 – Спектры и ширина полосы излучений.

Рекомендация МСЭ-R BS.412 – Стандарты планирования для ЧМ звукового радиовещания в диапазоне ОВЧ.

Рекомендация МСЭ-R BS.450 – Стандарты передачи для ЧМ звукового радиовещания в диапазоне ОВЧ.

Рекомендация МСЭ-R BS.468 – Измерение напряжения шума звуковой частоты в звуковом радиовещании.

Рекомендация МСЭ-R BS.643 – Система автоматической настройки и другие устройства в ЧМ

радиоприемниках, применяемые в системах с пилот-тоном.

Рекомендация МСЭ-R BS.1194 – Система уплотнения частотно-модулированного (ЧМ) звукового

радиовещания каналом передачи данных на поднесущей частоте, имеющим относительно большую

пропускную способность, для стационарного и подвижного приема.

Рекомендация МСЭ-R SM.1268 – Применяемый на станциях радиоконтроля метод измерения максимальной

девиации частоты радиовещательных ЧМ излучений.

- 301 -

Глава 4

4.7 Радиопеленгация и определение местоположения

Стр.

4.7 Радиопеленгация и определение местоположения ..................................................... 302

4.7.1 Общие положения.......................................................................................................... 302

4.7.1.1 Обзор систем радиопеленгации ................................................................................... 302

4.7.1.2 Обзор методов определения местоположения............................................................ 306

4.7.2 Различные системы радиопеленгации ......................................................................... 307

4.7.2.1 Методы радиопеленгации............................................................................................. 307

4.7.2.2 Подвижные приводные системы.................................................................................. 310

4.7.3 Оборудование для частот ниже 30 МГц ...................................................................... 312

4.7.3.1 Организация дистанционно управляемой сети........................................................... 312

4.7.3.2 Погрешности и точность пеленгов .............................................................................. 313

4.7.4 Оборудование для частот выше 30 МГц ..................................................................... 324

4.7.4.1 Организация дистанционно управляемой сети........................................................... 324

4.7.4.2 Погрешности и точность пеленгов .............................................................................. 325

4.7.5 Расчет местоположения ................................................................................................ 326

4.7.5.1 Общие положения.......................................................................................................... 326

4.7.5.2 Особенности определения местоположения в зависимости от диапазона частот .. 327

4.7.5.3 Последовательность расчета местоположения........................................................... 327

4.7.5.4 Метод определения местоположения одиночной станцией для ВЧ излучений...... 331

4.7.5.5 Заключение..................................................................................................................... 337

- 302 -

Глава 4

4.7 Радиопеленгация и определение местоположения

4.7.1 Общие положения

Целью радиопеленгации является определение линии пеленга какого-либо источника электро-

магнитного излучения с использованием характеристик распространения радиоволн.

С учетом этого общего положения радиопеленгация может применяться для определения

местоположения радиопередатчика или источника радиопомех, если эти источники расположены на

поверхности Земли.

Очевидно, что радиопеленгация становится необходимой в следующих случаях:

– определение местоположения передатчика в случае бедствия;

– определение местоположения несанкционированного передатчика;

– определение местоположения мешающего передатчика, который не может быть опознан

другими средствами;

– определение местонахождения источника вредных помех приему, такого как электрическое

оборудование, поврежденные изоляторы на линиях электропередачи и т. д.;

– опознавание передатчиков, как известных, так и неизвестных.

Не вдаваясь в подробности явлений, связанных с распространением радиоволн, можно упростить

проблему, допустив, что распространение всегда происходит вдоль дуги большого круга,

соединяющей источник излучения и пункт приема.

В этих обстоятельствах при использовании соответствующего приемного оборудования, дающего

направление приходящего сигнала, можно получить пеленги источника (передатчика и мешающего

тока) и определить направление на этот источник в месте приема.

4.7.1.1 Обзор систем радиопеленгации

Радиопеленгатор (РП) – это чувствительный элемент, определяющий направление прихода или ази-

мут электромагнитной волны (при идеальных условиях) относительно опорного направления. Для

определения пеленга на сигнал все радиопеленгаторы используют разность задержки сигнала на

апертуре антенны. Некоторые системы, такие как фазовые интерферометры, измеряют разность

задержки непосредственно, в то время как другие, например, вращающиеся рамочные антенные

системы или расположенные по кругу антенные решетки (СDАА) (системы Вулленвебера, антенные

решетки Эдкока) измеряют функцию задержки, которая отражается в амплитудной диаграмме

направленности антенны. Общая для всех радиопеленгаторов функциональная архитектура

включает антенную решетку, приемный блок и пеленгаторный процессор. Пример индикатора

радиопеленгатора показан на рис. 4-45.

- 303 -

Глава 4

РИСУНОК 4-45

Пример индикатора радиопеленгатора

Сложение и обработка сигнала, осуществляемые в каждом субблоке, зависят от:

1 Характеристик антенной решетки РП и системы измерения/обработки для получения

информации об азимуте. Современные методы радиопеленгации можно ориентировочно разбить на

три категории, то есть:

– амплитудочувствительная радиопеленгация;

– фазочувствительная радиопеленгация;

– радиопеленгация с вектором, коррелированным по фазе и амплитуде, и радиопеленгация со

сверхразрешением.

- 304 -

Глава 4

2 Метода получения информации, который может быть параллельным или

последовательным. Если метод:

– параллельный, то измерения производятся почти мгновенно, и вводится столько приемных

каналов, сколько сигналов поступает от антенн;

– последовательный, то результат получается только после завершения последовательности

необходимых РЧ переключений либо на антеннах, либо после фазового и/или амплитудного

взвешивания сигналов от антенн.

Выбор системы радиопеленгации всегда сложен, поскольку он представляет собой компромисс

между характеристиками и конкретной эксплуатационной ситуацией. Существует ряд характерных

особенностей, которыми радиопеленгатор должен обладать, независимо от используемого

принципа радиопеленгации. Эксплуатационные и конструктивные особенности оборудования

(метод отображения, эксплуатационная концепция, возможность дистанционного управления,

температурные пределы, механическая прочность, форма, вес, потребляемая мощность и т. д.)

должны отвечать требованиям конкретной области применения. Основные технические

особенности РП: точность, чувствительность, невосприимчивость к искажениям фронта волны,

нечувствительность к деполяризации, влиянию помех в совмещенном канале и быстрая реакция.

При сравнении различных методов радиопеленгации, например тех, которые приведены ниже, во

внимание принимаются только эти основные особенности РП и, следовательно, только они здесь

рассматриваются.

4.7.1.1.1 Точность

Обычно точность радиопеленгаторов находится в пределах 1–3°. Что касается заданной точности, то

необходимо иметь в виду, что системная погрешность имеет две составляющие. Первая

составляющая – азимутальная погрешность, которая зависит от направления прихода сигнала.

Вторая составляющая – частотная погрешность радиопеленгатора, являющаяся функцией

выбранной частоты. Системная точность обычно определяется для сигналов с достаточно высоким

(> 20 дБ) отношением сигнал/шум. Другие погрешности радиопеленгаторов, которые обусловлены

воздействием среды распространения (например, ионосферы) и явлениями многолучевости,

разумеется, не включаются в инструментальную точность.

4.7.1.1.2 Чувствительность

Чувствительность радиопеленгатора является очень важной характеристикой, особенно при радио-

контроле. В то время как в системах управления воздушным движением, например, специально не

требуется максимальная чувствительность, а скорее необходим достаточный запас по параметру

отношения сигнал/шум, радиоконтроль часто сталкивается с проблемой оценки сигналов, которые

едва поддаются обнаружению. Хорошая чувствительность важна по двум аспектам:

– для расширения зоны действия радиопеленгаторов при хороших условиях приема и

– для достаточно надежной пеленгации при менее благоприятных условиях.

Как правило, чувствительность радиопеленгатора тесно связана с продолжительностью наблюдения

(временем для усреднения нескольких измерений) и обычно определяется вместе с указанными

флуктуациями пеленга (из-за воздействия шума). Колебания чувствительности обратно

пропорциональны отношению D/λ (D – диаметр антенны РП, λ – длина волны принятого сигнала),

отношению сигнал/шум, имеющемуся времени интегрирования и выбранной ширине полосы частот.

- 305 -

Глава 4

4.7.1.1.3 Устойчивость к искажениям фронта волны (когерентные помехи)

На практике особенно важно поведение радиопеленгатора в искаженном электромагнитном поле.

Независимо от метода радиопеленгации, каждый РП получает информацию о направлении на

сигнал из электромагнитного поля, которое принято считать однородным при неискаженном

распространении радиоволн. В этом идеальном случае, который фактически едва ли возможен,

волновые фронты являются плоскими; линии с равными фазами и равными амплитудами

представляют собой прямые параллельные линии (см. рис. 4-46).

пеленг с широкоапертурной антенной РП

номинальный пеленг

Антенны РП с узкой/

широкой апертурой

неискаженный

фронт волны

искаженный

фронт волны

пеленг с узкоапертурной антенной РП

РИСУНОК 4-46

Антенна РП с узкой/широкой апертурой

По пути распространения электромагнитные волны отражаются от препятствий и подвергаются

дифракции от их краев. В ВЧ диапазоне также возможен многолучевой прием из-за особых,

главным образом частотно зависимых, условий распространения. В результате появляются помехи,

и первоначальный плоский фронт волны искажается. Различные искажения вызываются также

определенными соотношениями амплитуд, фаз, количества взаимно интерферирующих волн и

различиями углов их прихода.

- 306 -

Глава 4

В зависимости от диаметра D антенна РП обнаруживает только небольшую часть фронта волны.

Направление, определенное РП, всегда является линией, перпендикулярной усредненной части

фронта волны. В зависимости от размеров апертуры антенны относительно пространственного

периода неравномерности изофазы искаженного поля, в таком искаженном поле могут быть

получены самые разные результаты. Поэтому для сведéния к минимуму погрешностей от искажений

поля рекомендуется выбирать антенны РП с большими относительно длины волны λ размерами.

Отношение D/λ > 1 относят к широкоапертурным радиопеленгаторным антеннам, D/λ меньше 0,5 –

к узкоапертурным радиопеленгаторным антеннам. Промежуточные отношения обычно относятся к

среднеапертурным радиопеленгаторам.

Возможность работы с широкой апертурой крайне важна для уменьшения влияния затеняющих

предметов, расположенных вблизи радиопеленгаторной антенны, которые приводят к появлению

наиболее вредных многолучевых составляющих, широко разнесенных по азимуту от направления

прямого луча, но имеющих аналогичную амплитуду.

4.7.1.1.4 Воздействие деполяризации

Деполяризация означает сдвиг между плоскостями поляризации радиопеленгаторной антенны и па-

дающей волны. Поляризационная характеристика радиопеленгатора в значительной мере зависит от

используемой антенной системы и, следовательно, от метода радиопеленгации.

В этом случае по соображениям распространения радиоволн все переносные и расположенные на

транспортных средствах передатчики используют вертикальную поляризацию. По этим же

соображениям ОВЧ и УВЧ радиопеленгаторные антенны обычно состоят из вертикальных диполей.

Поскольку горизонтальная составляющая принимаемого поля мала, погрешностью, вносимой ею в

радиопеленгацию, можно пренебречь. Применение горизонтальной поляризации оправдано для

радиопеленгации передатчиков ЧМ радиовещания или телевидения, а также самолета или

вертолета. В этом случае либо радиопеленгатор работает по вертикальной составляющей

переданной волны, либо используются радиопеленгаторные антенны с горизонтальной

поляризацией.

4.7.1.1.5 Влияние помех в совмещенном канале

Если вместе с полезным сигналом одновременно в том же канале принимаются другие сигналы, то

речь идет о некогерентных передатчиках в совмещенном канале. Индикации ошибочного пеленга от

таких мешающих передатчиков должны опознаваться и подавляться. В случае помех в

совмещенном канале или искусственно создаваемых помех следует по возможности брать

раздельные пеленги по всем сигналам, так как нередко самый слабый сигнал представляет

наибольший интерес.

4.7.1.1.6 Время реакции

В зависимости от эксплуатационных принципов радиопеленгатора для получения пеленга необходи-

мо, чтобы сигнал присутствовал определенное минимальное время. Радиопеленгаторные системы

должны обнаруживать сигналы с временем существования 10 мс или менее.

4.7.1.2 Обзор методов определения местоположения

В большинстве случаев одной линии пеленга бывает недостаточно для опознавания передатчика и

необходимо будет определить его местоположение. Классическим методом определения

местоположения является применение двух или более радиопеленгаторов для осуществления

триангуляции (вручную или с помощью компьютера). В ВЧ диапазоне при ионосферном

распространении радиоволн местоположение передатчика можно определить с использованием

только одной РП станции (определение местоположения одиночной станцией, SSL), при условии,

что радиопеленгатор в дополнение к азимуту выдает также угол места.

- 307 -

Глава 4

4.7.2 Различные системы радиопеленгации

Выбор системы радиопеленгации для конкретного вида применения обычно заключается в подборе

оптимального сочетания характеристик антенны, приемника и вида процессора данных. Системы

радиопеленгации традиционно делятся на два основных вида: амплитудочувствительные системы и

фазочувствительные системы. Многие современные радиопеленгаторы используют комбинации

фазо- и амплитудочувствительных методов. В данном разделе сравниваются отдельные методы

радиопеленгации в упрощенной форме и показываются различия наиболее широко используемых

методов. Глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы каждого из этих методов выходит

за рамки данного Справочника. Читателям, которые хотят получить более глубокую с технической

точки зрения информацию по данному вопросу, следует обратиться к специальной литературе по

методам радиопеленгации.

4.7.2.1 Методы радиопеленгации

Рассмотрены следующие методы радиопеленгации:

– С использованием диаграммы направленности вращающихся антенн.

– Системы Вулленвебера.

– Системы Эдкока/Уотсона-Ватта.

– Доплеровские/псевдодоплеровские методы.

– Фазовый интерферометр;

– Корреляция/сверхразрешение.

Все методы радиопеленгации изучаются с точки зрения эксплуатационных факторов, описанных в

§ 4.7.1.1, и подчеркиваются особые возможности каждого из методов.

В системах с использованием диаграммы направленности вращающейся антенны применяются

особенности диаграммы антенны для определения направления прихода сигнала. РП системы,

основанные на использовании механически вращаемой направленной антенны, в настоящее время

практически не применяются.

Системы Вулленвебера – это системы с электронным сканированием, которые применяют метод

комбинирования антенн для улучшения характерной для данной системы диаграммы направ-

ленности антенны. В этих системах вместо одной антенны одновременно включаются группы

антенн. В гражданских применениях контроля данные системы практически не используются.

В системах Эдкока/Уотсона–Ватта (см. табл. 4-11) были использованы усовершенствования в ан-

тенной технике и технике обработки сигнала для получения системы с почти мгновенным

считыванием результатов. Антенная решетка Эдкока, использованная в этих системах (разработана

в 1918 году), состоит из пар симметричных или несимметричных вибраторных антенн, соединенных

с помощью 180-градусной гибридной схемы в целях получения обычной диаграммы приема в виде

“восьмерки”, характерной для рамочной антенны. Две пары элементов антенной решетки Эдкока,

установленные на ортогональных базах, показывают чувствительность к направлению прихода

сигнала, которая изменяется по закону синуса от направления на сигнал на одной антенне и по

закону косинуса – от направления на сигнал на второй антенне. В методе радиопеленгации Уотсона-

Ватта для решения проблемы неопределенности применяются три согласованных по фазе

приемника и показывается угол прихода сигнала в виде функций синуса и косинуса третьего,

всенаправленного канала. В современных радиопеленгаторах Уотсона-Ватта для вычисления

пеленгов используются методы цифровой обработки сигналов.

- 308 -

Глава 4

ТАБЛИЦА 4-11

РП системы Эдкока/Уотсона-Ватта

Использование в измерениях РП

антенной решетки

Измерения амплитуды выполняются на выходе трех антенн.

Конфигурация антенн позволяет выдавать угол прихода сигнала по

синусоидальной, косинусоидальной и круговой диаграммам

направленности.

Производятся синхронные измерения амплитуды, обычно при

использовании трех когерентных приемных каналов

Преобразование измерений в

радиопеленг

пеленг = arctan (sin θ/cos θ); этот расчет иногда корректируется с

помощью коэффициентов из калибровочной таблицы. Проблема

неопределенности решается с помощью чувствительного

(всенаправленного) канала

Точность (без учета влияния

местных условий)

1–2°

Чувствительность Средняя или высокая.

ПРИМЕЧАНИЕ. – Характеристики зависят от выбора антенны

Время реакции < 1 мс

Устойчивость в отношении

деполяризации

При использовании хорошо сбалансированных антенн погрешности

пеленгов невелики при деполяризации < 45°; использовать алгоритм

компенсации деполяризации нельзя

Устойчивость к искажениям

фронта волны (когерентные

помехи)

Ограниченная, так как невозможно применение антенной решетки с

широкой апертурой

Устойчивость к помехам в

совмещенном канале

(некогерентные помехи)

Разделение возможно при использовании аналоговой техники

отображения на ЭЛТ. Толкование оператором изображения на экране

ЭЛТ служит критерием принятия решения по виду помехи. Цифровая

обработка сигнала не может алгоритмически разделить совпадающие по

времени сигналы в совмещенном канале. Метод гистограмм может быть

применен для сигналов, не совпадающих по времени

Возможность работы с

пространственной волной в ВЧ

диапазоне

Система не может определять угол места для пространственных

сигналов, но может обеспечивать высокую чувствительность для

сигналов, приходящих под большими углами места. Если очень большие

углы прихода сигнала представляют интерес, можно использовать

антенну из скрещенных рамок

Замечания

Эти системы существуют уже более 50 лет и являются наиболее

удачными из ранних методов радиопеленгации; они продолжают

применяться отчасти из-за очень короткого времени реакции системы и

способности измерять пеленг источника коротких одиночных сигналов

(включая молнии, для которых они и были первоначально разработаны)

Доплеровские и псевдодоплеровские методы были разработаны в 50-х годах при изучении

доплеровского сдвига частоты, возникающего при движении антенны относительно принимаемого

сигнала. Скорость механического вращения при использовании прямого доплеровского метода

обычно не имеет значения на частотах ниже диапазона УВЧ, поэтому был разработан метод

электронного переключения для имитации вращения антенны при неподвижной круговой антенной

решетке. Такой метод известен как псеводоплеровский. В настоящее время данный метод не

используется.

Интерферометрические методы (см. табл. 4-12) были разработаны в 50-х и 60-х годах как средство

очень точного мгновенного измерения линии пеленга. В этой системе проводится измерение

разницы фаз от двух независимых антенн. Важнейшим элементом системы данного типа является