Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 329 -

Глава 4

b) Медленные линии

Если линии позволяют лишь такую скорость передачи, при которой каждый обмен сообщениями

между центром контроля и РП станциями занимает много времени, т. е. время связи значительно

превышает время измерения, то производить обработку пеленгов для получения надежного пеленга

следует на самих РП станциях. Надежный результат (пеленг) достигается усреднением

элементарных пеленгов сигнала, представляющего интерес для центра контроля. Поэтому на РП

станциях нужно знать методы для классификации элементарных пеленгов. Классификация

выполняется на основе нескольких видов информации:

– азимутальное разделение;

– соответствие измеренной средней частоты;

– соответствие угла места между различными пеленгами;

– вероятность значения угла места с учетом характеристик распространения радиоволн;

– параметры, необходимые для технического анализа, позволяющие опознать желаемый

сигнал.

Преимуществом системы такого типа является возможность использования низкоскоростных линий

связи (например, обычных телефонных линий). С другой стороны, в такой системе необходимы

радиопеленгаторные станции, способные анализировать свои собственные пеленги и разделять

данные в случае наличия множества передач. Этот тип системы удобен для определения

местоположения целей в диапазонах ОВЧ/УВЧ, где радиопеленги относительно стабильны во

времени.

4.7.5.3.2 Исключение несводимых пеленгов

В некоторых системах определения местоположения эта операция производится вручную. Здесь

предлагается (см. рис. 4-51) автоматический метод, позволяющий геометрически определять

несводимые пеленги.

РП 1

РП 2

РП 3

РП 4

Пеленг

Участки неоп

еделенности

от каждого пересечения

с пеленгом от РП 1

Неоп

еделенность

пеленга

РИСУНОК 4-51

Проверка возможного объединения с пеленгом от РП 1

(РП 1, РП 2, РП 3 можно объединить, РП 4 нельзя объединить)

- 330 -

Глава 4

Данный метод состоит в проверке в каждый момент времени числа замеров, соответствующих

этому моменту. По каждому замеру создается участок, охватываемый собственной угловой

погрешностью каждого замера.

Когда участки частично перекрываются, замеры можно, как принято говорить, объединить. Таким

образом проверяются различные возможные объединения для всех замеров. Сохраняются

объединения, включающие наибольшее число замеров. Если наибольшее число замеров достигнуто

в нескольких объединениях, тогда сохраняются объединения с наилучшими пеленгами и с

наилучшим углом апертуры относительно цели. Замеры, не входящие в наилучшие объединения,

отмечаются как смещенные и не принимаются во внимание при расчете местоположения.

Этот метод имеет то преимущество, что он построен на угловых погрешностях. Поэтому он

пригоден как для коротких, так и для больших расстояний.

4.7.5.3.3 Оценка точки местоположения

На данном этапе имеется определенное число пеленгов, соответствующих друг другу, но они не

пересекаются в одной географической точке. Целью действий на этом этапе является определение

оптимальной позиции точки местоположения цели.

Оптимальная точка определяется при помощи метода наименьших квадратов погрешности.

Отыскивается точка, при которой угловые отклонения, необходимые для каждого пеленга, чтобы

взять точное направление на эту точку, будут минимальными.

Если Р есть какая-либо одна точка, а d

, d

, ... суть угловые отклонения, необходимые для

каждого пеленга, чтобы пересечься в точке Р, то v

, v

, … суть отклонения различных пеленгов.

Тогда данная S

имеет следующую величину:

...)/()/()/(

+++= vdvdvdS

Оптимальной точкой является точка, где величина S

минимальна.

Для решения этой задачи существует несколько подходов:

– см. [Stansfield, 1947], [Barfield, 1947];

– построение треугольника;

– метод больших кругов, сферических треугольников (большие расстояния).

Реализация этих методов на компьютерах не вызывает проблем. Следует, однако, помнить, что при

использовании всех этих методов вычисляется только оценка. Нет такой математической формулы,

которая давала бы точное местоположение.

4.7.5.3.4 Расчет эллипса неопределенности

Эллипсом неопределенности является зона, центром которой является оптимальная точка.

Расчет эллипса неопределенности основан на работе [Stansfield, 1947]. Этот расчет выполняется на

базе типичных отклонений разных пеленгов. Чтобы эти типичные отклонения были значимыми, в

системе должно быть достаточное количество элементарных пеленгов, позволяющих рассчитать

такую значимую величину типичного отклонения.

- 331 -

Глава 4

Нынешняя тенденция такова, что радиопеленгаторы выдают обозначение качества, включающее

условия, при которых был выполнен радиопеленг, а не реальное типичное отклонение. В этом

контексте расчет эллипса неопределенности есть всего лишь приближение. В работе системы

определения местоположения все более проявляется тенденция устанавливать обозначение качества

для определения местоположения.

Обозначение качества для определения местоположения представляет:

– Согласие между радиопеленгаторами относительно назначения одной и той же точки.

– Постоянство назначения радиопеленгаторами всегда одной и той же точки.

Такое согласие проявляется убедительно, когда несколько радиопеленгаторов назначают одну и ту

же точку.

Постоянство в назначении одной и той же точки проявляется убедительно, когда отклонение в

пеленгах РП станции слабо влияет на оптимальную точку, рассчитанную с использованием всех

пеленгов (инерция).

4.7.5.4 Метод определения местоположения одиночной станцией для ВЧ излучений

4.7.5.4.1 Введение

Система определения местоположения одиночной станцией (SSL) дает возможность определения

местонахождения передатчика с помощью одного радиопеленгатора (см. рис. 4-52). Система

обработки данных, получаемых от радиопеленгатора (азимут, угол места, позиция) с учетом

прогноза состояния ионосферы, позволяет оценить расстояние между передатчиком и

радиопеленгатором. Таким образом, благодаря концепции SSL можно выполнить задачу

определения местоположения в тех случаях, когда по территориальным, временным и

эксплутационным соображениям нельзя установить полную триангуляционную

радиопеленгаторную систему определения местоположения передатчика. SSL может также рассмат-

риваться как дополнение к существующим системам определения местоположения, поскольку дает

возможность отбрасывать пеленги с отклонениями от нормы.

Радиопеленгаторы SSL выдают одновременно азимут и угол места сигнала, принятого антенной

решеткой. Распространение осуществляется земной волной и ионосферной волной по множеству

трасс, соответствующих различным углам места. В результате пеленгатор SSL выдает угол места,

свидетельствующий о вариации времени распространения из-за многолучевых помех. Алгоритмы

обработки применяются для определения величин углов, соответствующих вышеупомянутому

множеству трасс.

Такая обработка, с учетом ионосферных прогнозов, позволяет оценивать расстояние от передатчика

до радиопеленгатора до 2500 км. Соединение данных об азимуте, расстоянии до передатчика и

местоположении радиопеленгатора дает возможность оценить географические координаты ВЧ

передатчика.

Основой подхода SSL является так называемый классический метод оценки расстояний. Этот метод

основан на допущении, что истинное прохождение ВЧ волн может быть смоделировано, исходя из

предположения, что отражение происходит как бы от простого горизонтального зеркала,

расположенного на определенной высоте. Высота такого зеркала берется из ионограмм

вертикального падения как действующая высота на частоте, называемой эквивалентной частотой

вертикального угла. Классический метод основывается на трех простых фундаментальных

положениях: законе секущей (Secant Law), теореме Брета и Тьюва (Briet and Tuve's Theorem) и

теореме эквивалентных путей Мартина (Martin's Equivalent Path Theorem). Так как теорема Мартина

точна только для плоской поверхности Земли и плоской ионосферы, результаты применения этого

метода лишь приблизительны.

- 332 -

Глава 4

∆

географический азимут

угол места

расстояние

действительная высота отражения

радиус Земли

Ионосферные

слои

Север

Радиопеленгатор

Передатчик

Земля

РИСУНОК 4-52

Принцип SSL

Ограничения метода SSL

Принцип SSL основан на допущении, что сигнал отражается от ионосферы только один раз (один

скачок). Многоскачковое распространение приводит к получению расчетных расстояний, более

коротких, чем реальные. Кроме того, значения высот ионосферы могут быть неоднозначны. Таким

образом, может иметь место отражение от слоев, находящихся на разной высоте. Поэтому система

SSL может выдавать несколько разных расстояний до цели.

4.7.5.4.2 Компьютеризованная система SSL

Компьютеризованные системы SSL работают на микрокомпьютере, интегрирующем:

– файлы прогнозов состояния ионосферы или действительные данные о состоянии

ионосферы, соответствующие определенной дате, географической точке и индексу

солнечной активности,

– программное обеспечение, позволяющее осуществлять:

– предварительную обработку для выделения угла места и установки файлов прогноза

состояния ионосферы,

– расчет расстояния от передатчика до радиопеленгатора.

- 333 -

Глава 4

4.7.5.4.3 Программное обеспечение для определения местоположения

Программное обеспечение радиопеленгации позволяет получать следующие элементарные

результаты измерений, выполненных на текущей частоте (F ± 1 кГц) в течение времени

интегрирования (Т), регулируемого, например, от 1 до 100 с:

– азимут (градусы);

– угол места (градусы);

– число измерений, интегрированных для усреднения;

– уровень ВЧ сигнала на входе приемника (дБм);

– погрешности в измерении расстояния по широте и долготе.

Все эти виды данных могут отображаться на экране терминала SSL системы. Остаток времени,

используемый для расчета результатов измерений и последующего их отображения, составляет

приблизительно одну секунду. Одновременно могут обрабатываться и отображаться до трех

различных углов прихода сигнала с угловыми показателями, регулируемыми в пределах от 2 до 30°.

4.7.5.4.4 Программа, обеспечивающая прогноз состояния ионосферы

Для того чтобы можно было определить местонахождение передатчика, программа определения

местоположения должна включать файлы прогноза состояния ионосферы. Программное

обеспечение прогнозирования позволяет создавать эти файлы прогнозов состояния ионосферы для

выбранных географических точек. Моделирование выполнено в соответствии с Рекомендациями

МСЭ-R P.1239 и МСЭ-R Р.1240.

Пути распространения в ионосфере определяются программой прокладки радиуса на карте, исходя

из данных о распределении плотности электронов по вертикали. Так как ионосфера является

изотропной средой, существуют две характерные волны, которые ассоциируются с данными по

углу: обыкновенная волна (О) и необыкновенная волна (X). Затем необходимо произвести прогноз

относительно типа волны, используемой SSL станцией. Файл прогноза выдает для определенного

времени суток, даты, частоты и места все расстояния, соответствующие требуемым углам места

(гистограммы).

4.7.5.4.5 Процесс расчета расстояния до определяемой точки

Программное обеспечение определения местоположения может использоваться для ввода

следующих параметров:

– результаты элементарных пеленгаций;

– текущее время и дата;

– рабочая частота;

– соответствующий файл прогноза.

Ниже приведены различные этапы процесса расчета расстояний до ВЧ передатчика:

а) Гистограммы углов места

Исходя из измерений в реальном масштабе времени волн (О + X), можно построить гистограммы на

интервале последнего Т захвата (в секундах) для результатов элементарных пеленгов (Т = время

интегрирования расчета). Колонка i каждой гистограммы состоит из суммы обозначений качества

элементарных измерений, углы места которых находятся в интервале [I°, (I+1°)] для данной

поляризации (см. рис. 4-53).

- 334 -

Глава 4

0° 1° 90°

i-ая колонка

Угол места

РИСУНОК 4-53

Гистограммы углов места

b) Отбор гистограмм углов места

Различные возмущения, случающиеся в ионосфере, вносят погрешности и рассеяние на уровне

углов прихода принимаемых сигналов. Следовательно, необходимо произвести отбор углов места в

гистограммах, с тем чтобы:

– исключить несущественные и ошибочные значения,

– придать больший вес существенным значениям.

с) Определение пакетов

Для придания гистограмме формы, удобной для использования, применяют различные методы

обработки данных гистограмм углов места. Каждая колонка в гистограмме представляет собой

процентное отношение результатов измерений ко всем результатам, колонки группируются и таким

образом создаются пакеты углов места. Пакеты создаются группированием смежных измерений для

получения средних углов места, взвешенных соответственно весам колонок.

d) Обработка малых углов места

Анализ обеих гистограмм углов места (О и X) и всех пакетов, связанных с каждой из этих

гистограмм, позволяет определить, является ли принятая передача:

– земной волной,

– волной, распространяющейся в ионосферном слое с одним или несколькими отражениями

(многолучевость).

Именно на этом уровне использование разнесения по поляризации (О и X) улучшает

характеристики системы. Данный метод позволяет обрабатывать многочисленные случаи, которые

были бы неоднозначны при измерениях с одним видом поляризации. Например, нередко случается,

что обыкновенная волна распространяется как земная волна, а необыкновенная волна – с одним

отражением от слоя Е или же обыкновенная волна распространяется с двумя отражениями, а Х

волна – с одним отражением.

- 335 -

Глава 4

е) Прогнозирование

Прогнозы создаются для средних углов места каждого пакета и для каждой гистограммы. Таким

образом в итоге формируются четыре таблицы расстояний: две гистограммы для левосторонней

круговой поляризации (кривые для О и X), а также две гистограммы для правосторонней круговой

поляризации (кривые для О и X). Из этих четырех таблиц посредством соответствующей обработки,

позволяющей разделить одинарные и двойные отражения, получаем четыре базовых расстояния.

f) Определение четырех базовых расстояний

Четыре базовых расстояния получаются на основе четырех ранее упомянутых таблиц посредством

обработки, которая позволяет разделить волны с одним и с двумя отражениями.

–

: расстояние для обыкновенной волны с левосторонней круговой поляризацией,

–

: расстояние для обыкновенной волны с правосторонней круговой поляризацией,

–

= расстояние для необыкновенной волны с левосторонней круговой поляризацией,

–

= расстояние для необыкновенной волны с правосторонней круговой поляризацией.

g) Окончательное определение расстояния

Окончательное определение расстояния производится методом обратной засечки с использованием

ранее полученных четырех расстояний

, D

(см. рис. 4-54).

Передатчик

Радиопеленгатор

РИСУНОК 4-54

Определение расстояния

Для проверки величины полученного таким образом среднего расстояния необходимо сравнить его

с доверительным интервалом: относительный вес и переменная, указывающие на наличие или

отсутствие многолучевого распространения в одной из гистограмм, радиальная и долготная

погрешности (выраженные в км).

Радиальная погрешность (Е

) является прямой функцией типичного отклонения азимута,

полученного при измерении радиопеленгатором. Типичное отклонение эквивалентно погрешности,

выраженной в градусах, которое при умножении на рассчитанное расстояние дает погрешность в

километрах.

Долготная погрешность (E

) является функцией обозначения качества применительно к

элементарным измерениям и разбросу углов места при этих измерениях.

- 336 -

Глава 4

Обе погрешности характеризуют правильность определения местоположения путем сравнения с

доверительным интервалом или с эллипсом неопределенности.

h) Расчет географических координат

После каждого расчета расстояния географические координаты рассчитываются не только для того,

чтобы передать их оператору, но и для использования в компьютере. Посредством адаптивной

обработки, пока оператор прослушивает одно и то же излучение, выдаются текущие прогнозы для

средней точки, соответствующей ранее рассчитанному расстоянию. При любом первом определении

местоположения эти координаты устанавливаются относительно координат радиопеленгатора.

Практический опыт позволяет оценить погрешность определения расстояния величиной около 10%

(статистическое среднее).

i) Суммирование элементарных определений местоположения

Все время, пока оператор прослушивает одно и то же излучение, типовая система рассчитывает

другое расстояние и записывает его в дисковом буфере. Оператор может затем в любой момент

затребовать географическое местоположение, которое соответствует интегрированному значению N

рассчитанных ранее элементарных расстояний.

j) Результаты определения местоположения

Для каждого излучения расчет местоположения дает следующие результаты:

– средний азимут (градусы);

– число элементарных измерений;

– средний уровень ВЧ сигнала;

– радиальную погрешность;

– долготную погрешность;

– географические координаты передатчика.

Результаты выводятся на графический дисплей или на принтер.

4.7.5.4.6 Характеристики ионосферы

Самым рациональным методом определения характеристик ионосферы в реальном масштабе

времени является ионосферное зондирование. Применяемые для этой цели аппараты известны как

ионосферные зонды или зонды-излучатели. Имеется несколько типов таких зондов.

Спектр ВЧ уже перегружен излучениями связных передатчиков, и мировому сообществу не нужно

дальнейшее загрязнение ионосферы зондами, излучение которых либо широко рассеивается в

произвольной последовательности по большей части, если не по всему ВЧ спектру, либо передается

с высокой мощностью. К счастью, существуют разнообразные радиозонды, которые имеют

вертикальный угол излучения (VI) и, следовательно, не дают широкого рассеивания, для них

возможно адаптированное программирование, и поэтому они работают на минимальном числе

выбранных частот, необходимых для выполнения конкретной задачи, и имеют малую рабочую

мощность, обычно менее 100 Вт. Способность к программированию и адаптации дает возможность

исключения защищенных частот, и последовательность зондирования может быть как

псевдослучайной скачкообразной перестройкой частоты, так и распространяться только на частоты,

на которых можно получить ответный сигнал. Зонды-излучатели этого класса не загрязняют

электромагнитную среду и могут эксплуатироваться совместно с чувствительными приемными

станциями.

- 337 -

Глава 4

4.7.5.4.7 Достоверность результатов

Достоверность классического метода SSL основана на справедливости нескольких допущений:

1) что при расчете значения f

магнитным полем Земли можно пренебречь;

2) что действительная высота h'f

, полученная от местной VI ионограммы, является такой же,

как и в средней точке радиолинии;

3) что эквивалентное зеркало горизонтально.

Для радиолиний большей протяженности допущение 2) становится непригодным, и в некоторой

точке возникает необходимость перехода на процедуру возвратного луча, использующую

обновленную модель ионосферы, совместимую с местной ионограммой. Такие модели существуют,

и физики–специалисты по ионосфере во всем мире их постоянно совершенствуют, в том числе с

учетом влияния магнитного поля Земли из допущения 1). Так как мощность и быстродействие

компьютеров постоянно растут, становится практически возможным выполнение многомерных

процедур обсчета возвратных лучей с применением чрезвычайно сложных моделей ионосферы, что

позволит сократить число допущений по сравнению с применяемым сейчас. Существующие

программы прогнозирования распространения радиоволн в диапазоне ВЧ, такие как Ioncap и др.,

полезны для целей планирования, но имеют ограниченную ценность в случае SSL, поскольку они

основаны на 12-месячном усреднении параметров и не учитывают с достаточной точностью

состояние ионосферы в реальном масштабе времени.

Допущение 3), что эквивалентное зеркало является горизонтальным, приводит к наибольшим

ошибкам на коротких радиолиниях, причем ошибка обратно пропорциональна cos θ. Фактически

отражающая поверхность может быть наклонена к горизонту до 4–5° из-за крупных перепадов поля

(таких как во время восхода Солнца или вблизи экваториальной аномалии) и малых перепадов (или

наклонов), которые связаны с блуждающими ионосферными возмущениями (TID). Следовательно,

для работы SSL на коротких радиолиниях необходимо, чтобы ионосферный зонд был также

способен измерять местные наклоны ионосферы для их учета. Кроме того, влияние наклонов

ионосферы на измерение линии пеленга при короткой радиолинии настолько существенно, что для

получения точных измерений также весьма желательно получить данные об ионосфере в реальном

масштабе времени в местах расположения ВЧ радиопеленгаторов (в отличие от SSL).

4.7.5.4.8 Режимы углов места SSL

За исключением учета влияния магнитного поля Земли при определении значения эквивалентной

вертикальной частоты (f

) допущения, которые определяют достоверность классического метода

SSL, начинают терять значимость в зависимости от расстояния до ВЧ излучателя, и в первую

очередь в двух крайних участках диапазонов малых и больших расстояний. На основе понимания

причин, по которым допущения классического метода начинают терять значимость, разработаны

методы SSL, позволяющие обеспечить достоверность оценки расстояний и в этих двух крайних

участках. Для удобства обсуждения этих методов диапазон расстояний может быть разделен на три

категории: короткие, средние и дальние расстояния.

4.7.5.5 Заключение

Автоматическая обработка расчетов местоположения с удовлетворительным результатом может

предусматриваться для случаев, когда измерения производятся в должных условиях.

В диапазонах ОВЧ/УВЧ, чтобы получить такие условия, достаточно иметь определенное число РП

станций для осуществления необходимого покрытия требуемого района (большое отношение

сигнал/шум на каждой РП станции).

- 338 -

Глава 4

В диапазоне ВЧ пеленги радиопеленгаторов должны усредняться за достаточно большой

промежуток времени, чтобы получить значимые усреднения. Как и в диапазонах ОВЧ/УВЧ, число

радиопеленгаторных станций должно быть достаточным для обеспечения правильного покрытия

требуемого района. Если по географическим или инфраструктурным причинам это невозможно, то

может оказаться целесообразным включить в состав системы одну или более радиопеленгаторных

станций, работающих в режиме SSL, чтобы повысить достоверность расчета местоположения цели.

Ссылки

BARFIELD, R. H. [1947] Statistical plotting methods for radio direction-finding. J. Inst. Elec. Engrs., Vol. 94,

Part IIIA, p. 15, 673.

STANSFIELD, R. G. [1947] Statistical theory of D.F. fixing. J. Inst. Elec. Engrs., Vol. 94, Part IIIA, 15, 762.

Литература

BRADLEY and DUDENEY [1973] A simple model of the vertical distribution of electron concentration in the

ionosphere. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Vol. 35.

BULL, J. R. [1990] A Compact Antenna Array for Direction-finding in the HF Band. Proc. of the Tactical

Communications Conference, Vol. 1, Ft. Wayne, Indiana, United States of America 24-26 April 1990. IEEE

Cat. No. 90TH0258-4.

DAVIES, K. [1990] Ionospheric radio. Peter Peregrinus Ltd., London, United Kingdom.

DICK, M. I. and BRADLEY, P. A. [November 1992] The R.A.L. Multi-Quasiparabolic Model Ionosphere. Electron.

Lett., Vol. 28 No. 23, p. 2123-2125.

GETHING, P. J. [1991] Radio Direction-finding and Superresolution, Peter Peregrinus Ltd. on behalf of the

Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom.

HOPKINS, H. G. [July 1956] DF plotting aid. Wireless Engineering, Vol. 33, 7, p. 173-175.

HAYKIN, S., REILLY, J. P., KEZYS, V. and VERTATSHITSCH, E. [1992] Some aspects of array signal processing.

Proc. IEE, Part F, Vol. 139, No. 1, p. 1-26.

JEFFREY, Z. R., MIDDLETON, P. T. and WINKLER, C. [1988] Accurate measurements of the total angle of arrival

of HF skywaves. AGARD Symp. Proc., Ionospheric structure and variability on a global scale and

interaction with atmosphere, magnetosphere. Munich, Germany.