автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование методов повышения точности определения местоположения источников радиоизлучений в системах мобильной связи

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САМАРА — 2009

- 3 ДЕК 2009

Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ПГУТИ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Анатолий Иванович Тяжев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Марк Абрамович Минкин ..........

кандидат технических наук, доцент Валерий Геннадьевич Шаталов

Ведущая организация:

ГОУВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится "^е^Ю^?^2009 г. в /-¿¿^¿Рчасов на заседании совета Д219.003.01 в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУТИ.

Автореферат разослан /¿¿хе^е2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д219.003.01,

доктор физико-математических наук

О. В. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие телекоммуникационных технологий предопределило внедрение систем связи с подвижными объектами (ССПО) во многие сферы деятельности человека. На основании действующего законодательства [J11] ряду министерств и ведомств разрешено добывание информации из технических средств связи в процессе ведения оперативно-розыскных мероприятий (ОРМ).

Рост числа аварий и катастроф различного характера с тяжелыми последствиями - гибелью людей, потерями материальных ценностей, ухудшением экологической обстановки - сегодняшняя реальность. Эксперты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) считают, что спасение человека, получившего травму, на 60-70% определяет то, как быстро ему оказана помощь. Возможность оперативного и точного местоопределения (МО) объекта могла бы упростить эту задачу.

Возрастание роли информации о местоположении источников радиоизлучений (ИРИ) в общем объеме задач управления радиочастотным спектром и получения оперативной информации подтверждают необходимость проведения анализа возможности использования существующих систем МО в данных условиях.

На данный момент разработано достаточно большое число систем позиционирования [J12], однако все они требуют изменения и дооснащения как базовых станций (БС), так и мобильных станций (MC) и зачастую оказываются неприменимы для нужд ОРМ.

Имеется возможность реализации систем позиционирования, основанных на классических методах радиопеленгации - угломерном, дальномерном, разностно-дальномерном и т.д. Однако эти методы являются малоэффективными (имеют большую погрешность) в условиях плотной городской застройки. Поэтому актуальным остается вопрос исследования методов повышения точности местоопределения источников радиоизлучений в сетях мобильной связи.

Целью диссертационной работы является исследование возможных путей повышения точности МО в системах мобильной связи классическими методами радиопеленгации: угломерным и дальномерным в условиях воздействия многолучевости, а также минимизация погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов. МО. В частности, предлагается повышать точность позиционирования за счет использования высокоподнятой приемной антенны. Под высокоподнятой антенной (ВПА) понимается антенная система, поднятая на высоту, много большую, чем высота городской застройки. Такую систему можно реализовать с помощью привязного аэростата, аэрозонда или высотного дирижабля. Погрешность определения азимутов при использовании угломерного метода МО предлагается уменьшать применением адаптивных сферических антенных решеток. Ошибку временной синхронизации при использовании дальномерного метода предлагается оценивать и минимизировать с помощью фильтра Калмана.

Основные задачи работы:

- исследование и оценка точностных характеристик технологии МО с ВПА в городских условиях;

- исследование основных параметров системы с ВПА на основе аэростатной технологии;

- имитационное моделирование работы системы МО с ВПА в условиях плотной городской застройки;

- исследование возможных вариантов минимизации погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов МО;

- разработка структурной схемы системы МО с ВПА.

В работе использованы положения теории распространения радиоволн, математический аппарат теории вероятности и математической статистики, матричного анализа, аналитической геометрии, цифровой обработки сигналов, теории систем автоматического управления в пространстве состояний. . Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен вариант построения системы МО ИРИ в сетях мобильной связи с высокой точностью позиционирования в условиях плотной городской застройки.

2. Получена цифровая реализация модели многолучевого распространения радиоволн системы GSM.

3. Обоснован выбор конструкции антенных систем и адаптивных алгоритмов обработки сигналов применительно к задаче МО угломерным методом позиционирования.

4. Предложен вариант повышения точности МО для дальномерного метода позиционирования с использованием фильтра Капмана.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается следующим:

- для оценки точностных характеристик системы МО с ВПА использованы известные статистические модели городской застройки, произведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, полученными различными исследователями [JI3];

- при разработке системы МО применялось имитационное моделирование и производилось сравнение отдельных результатов с данными, приведенными в литературе.

Основные научные результаты, выводы, а также алгоритмы и программы имитационного моделирования получены и сформулированы автором впервые и лично.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- предложенный вариант построения системы МО позволяет высокоточно определять местоположение источников радиоизлучений в условиях плотной городской застройки;

- разработанный автором программный продукт позволяет оценивать эффективность работы системы МО в реальных условиях на этапе ее проектирования;

- применение обоснованных адаптивных алгоритмов повышает точность МО при использовании угломерного и дальномерного методов позиционирования.

Результаты диссертационной работы в виде программного продукта и конкретных расчетных данных нашли применение в филиале ФГУП «Радиочастотный центр» Приволжского федерального округа, в электрорадионавигационной камере представительства ОАО «Волготанкер» в республике Та-

тарстан для повышения точности навигационных и радиопеленгационных наблюдений, о чем свидетельствуют полученные акты о внедрении.

Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс по курсу «Системы позиционирования радиосредств» кафедры «Радиосвязи, радиовещания и телевидения» Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XIII Юбилейной Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2006; VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Самара, 2006; XIV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2007; VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2007г., XV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2008г, XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в журнале «Инфокоммуникационные технологии», включенном в перечень ВАК, 2 статьи в журнале «Вестник СОНИИР», 2 тезиса докладов на международных научных конференциях, 6 тезисов докладов на российских научных конференциях и свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Построение системы МО ИРИ с ВПА, реализованной на основе аэростатной технологии, с высокой точностью позиционирования в условиях плотной городской застройки.

2. Результаты исследования характеристик системы МО с ВПА.

3. Пути повышения точности МО угломерным и дальномерным методами позиционирования.

4. Вариант построения структурной схемы системы МО с ВПА.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования и 3 приложений, содержит 132 страницы текста, в том числе 37 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, показана новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Обзор методов и систем определения местоположения радиосредств» определена роль систем МО ИРИ диапазона УВЧ для нужд спасательных служб и проведения ОРМ органами спецслужб, проанализированы основные существующие методы позиционирования ИРИ, определены методы позиционирования, наиболее пригодные для нужд ОРМ. Выявлены особенности этих методов, влияющие на точность систем МО.

Большинство существующих предложений систем МО ИРИ на основе сотовых сетей базируется на трех конкурирующих технологиях [JI2]:

- технологии TOA (Time of Arrival), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигнала от мобильного телефона (МТ) абонента до нескольких БС;

- технологии OTD (Observed Time Difference), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигналов от нескольких БС до МТ абонента;

- технологии A-GPS (Assisted Global Positioning System), основанной на встраивании GPS-приемников в мобильные телефоны.

Существующие реализации технологий TOA и OTD не могут быть использованы для нужд ОРМ, т.к. при их использовании абонент ССПО сам инициирует функцию определения координат, что неприемлемо для поставленной задачи ОРМ.

При использовании технологий GPS, ГЛОНАСС и A-GPS основные достигаемые преимущества включают: достаточно высокую точность определений и глобальное покрытие. Однако при этом требуется модификация радиотелефона путем добавления в него приемников GPS или ГЛОНАСС и средств передачи координатной информации в сотовую сеть, а зона определения координат имеет ограничения, связанные с возможностью потери сигналов спутников в закрытых помещениях, низинах, центрах городов или под плотной листвой. Кроме этого, данный метод не применим к задачам ОРМ, т.к. приемник GPS или ГЛОНАСС в МС может отсутствовать.

В специализированных системах при определенном дооснащении базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, основанное на классических методах радиопеленгации -дальномерном, угломерном и т.д.

При применении дапьномерного метода позиционирования ИРИ погрешность положения абонента относительно его истинного местонахождения ст„ (км) может быть рассчитана по формуле:

4.2 ■ Ю'ст,

а"~ (п2+>■'-О'Л

sin arceos--¡

I 2-r,r, J

>

где D6 (км) - расстояние между БС, сг, (с) - известная ошибка измерения временных интервалов (одинаковая для каждой БС), г, и г2 - рассчитанные дальности между МС и БС. Так, при расстоянии между БС 10 км и ошибке измерения временных интервалов с1 = 10" погрешность местоположения составляет 43 метра, при £Ft = Imi - 427 метров, а при ах = 1СГ ошибка увеличивается до 4.2 км, что неприемлемо для современных систем МО.

Погрешность определения местоположения абонента относительно его истинного местонахождения а„ (км) при известной величине расстояния D¿

(км) между соседними БС, принявшими его сигнал, и измеренных углах <?а и &2 с ошибкой а0 (град) составляет:

_ 1.7 ■ 10'2 ■ • D^sitve^ -I- sin2 ед" °п sin2(ei-t62)

Например, для расстояния между БС! и БС2 равного 10 км следует, что при

<7S = погрешность пеленга достигает 170 метров, а при <7ä = ' погрешность МО увеличивается до 1,19 км.

Угломерный и дальномерный методы позволяют определять координаты подвижного абонента без вовлечения в процесс МО MC, что представляет возможным их использование для нужд ОРМ. Однако, для реализации указанных методов существуют проблемы практического характера:

-из-за эффекта многолучевого распространения радиоволн не всегда можно отличить прямой сигнал мобильной станции от переотраженных. Эта проблема является характерной для большинства технологий МО;

- точность определения направления прихода радиосигнала при угломерном методе прямо пропорциональна ширине ДН применяемой антенны, т.е. требуются адаптивные и интеллектуальные антенные решетки;

-точность МО при дальномерном методе пропорциональна ошибке временной синхронизации БС.

В главе 2 «Исследование точностных характеристик систем МО источников радиоизлучений с высокоподнятой антенной» рассматривается эффективность использования технологии МО с ВПА на основе приведенных доказательств повышения точности пеленгования, полученные результаты сравниваются с данными, полученными при имитационном моделировании.

Сложность условий распространения волн УВЧ диапазона определяет весьма приближенный характер построения математических моделей распространения радиоволн, подкрепляемых экспериментальными данными.

Для доказательства повышения точности позиционирования при использовании ВПА в стандарте GSM было проведено компьютерное моделирование многоотводного имитатора релеевских замираний. Структурная схема модели приведена в [Л4]. Моделировалось четыре отвода, в первом из которых использовался классический доплеровский спектр CLASS (рис.1), для всех остальных отводов использовался доплеровский спектр типа GAUS1 с разными временными задержками.

Классический доплеровский спектр CLASS может использоваться для трасс с задержками, не превышающими 500 не и имеет вид: S(f) = AjJ\-(flfDY для /e[-/ß,/J, где A(f„,hi,hJ = 69.55 + 26A6-lg(fJf)-n.82lghJh,-a(hm,/hJ, (1)

- потери из формулы Окамуры, /д = v/0/c - доплеровский сдвиг частоты, /0 - несущая частота высокочастотного сигнала, / - текущая частота, hb и hms - высоты подъема антенн базовой и мобильной станции соответственно, a(hmJh0) - параметр, й0 - 1 м, / - МГц.

Доплеровский спектр ОА1151 представляет собой сумму двух функций, используется для значений дополнительной задержки, лежащих в диапазоне от 500 не до 2 мкс и имеет вид:

5(/> = СС^; -0.8/в;0.05/о) + Б(Л;-0.4/о;0.1/о).

где С(/) = Аехр(— г ) - гауссовская функция, А вычисляется по (1), А1 -2 к

на 10 дБ меньше А.

В рамках моделирования, согласно рис.1, было сформировано два канала

белого гауссовского шума. Спектральное преобразование вида . и

Ш-7

фильтр нижних частот при моделировании были заменены последовательным соединением трехзвенного рекурсивного фильтра нижних частот второго порядка и дифференциатора первого порядка. Далее сигналы обоих каналов были умножены на (1). Оценка результатов проводилась с помощью спектрального анализа. Последовательность компьютерного моделирования и графические результаты подробно описаны в [8].

Рисунок 1- Структурная схема одного отвода имитатора релеевских замираний

По результатам компьютерного эксперимента можно сделать вывод: «качество» принимаемого сигнала с подъемом приемной антенны на высоту до 300 м увеличивается на 54% (уменьшаются паразитные составляющие спектра, вызванные многолучевым распространением). Однако с подъемом антенны БС свыше 300 м «качество» сигнала ухудшается. Это вызвано ограничениями, связанными с применением эмпирической формулы (1).

Для систем позиционирования, основанных на угломерном методе определения координат, первичным определяемым параметром является угол прихода сигнала, дальномерном - скорость распространения сигнала. Точность данных методов существенно зависит от картины многолучевого распространения сигнала. Соответственно, при уменьшении эффекта многолучево-сти уменьшается погрешность МО указанными методами.

Для задачи моделирования и получения соотношений между точностью и высотой системы с ВПА можно применить положения из теории аналитической геометрии. Представим здания, которыми застроен городской район пересечением перпендикулярных друг другу плоскостей. Прямая пересечения этих плоскостей будет представлять собой крышу здания. Применительно

для систем МО с ВПА требуется определить высоту ВПА, при которой между БС и МС имеется прямая видимость. Прямой радиолуч от МС можно представить прямой, соединяющей две точки МС и БС. Задача сводится к следующему: требуется составить уравнения двух прямых - прямой, имитирующей прямой радиолуч и прямой пересечения плоскостей зданий и определить совместное решений уравнений этих прямых. Изменяя высоту ВПА (изменяя положение первой прямой) и решая систему уравнений прямых можно определить высоту ВПА, при которой между БС и МС имеется прямая видимость. При этом прямая видимость будет иметь место, если эти прямые пересекаются.

Для адекватности модели необходимо также рассмотреть явление дифракции, возникающее в условиях плотной городской застройки. Препятствия, встречающиеся на пути распространения радиосигнала, представляются в виде непрозрачных клиновидных экранов, что позволяет для нахождения поля в точке приема применять методы расчета дифракционного поля физической оптики [Л5].

Согласно теории оптической дифракции, множитель ослабления по отношению к свободному пространству вычисляется по формуле

j;Smfu^u)], (2)

где (j - j" cos^u2duj - С (и), Q - sirijU2diij - 5(u) - интегралы Френеля. Параметр и имеет значение

h-¿2 U = —

где h — Н — h2- высота экранирующего препятствия, £>- радиус первой зоны Френеля в месте расположения препятствия:

b _ 1<¿2¿

(¿5 и <12 - расстояния от МС до экранирующего препятствия и от БС до экранирующего препятствия соответственно. Местоположение первой зоны Френеля (точнее, половины первой зоны) указывает на область поверхности земли, в которой главным образом формируется отраженный луч.

В п. 2.5 рассмотрена «четырехлучевая» теория дифракции у клиновидного препятствия. В этом случае дифракционный множитель имеет вид:

F =

(3)

где Опе'Тп (п — 1 ...4) - значения дифракционных множителей определяемых по (2) для каждого из четырех интерферирующих лучей, Я1е'в'-, К2е'6- -комплексные коэффициенты отражения на участках передающая антенна -экран и экран - приемная антенна соответственно, -фг и ф2 ~ фазовые сдвиги между отраженным и прямым лучами, вызванные разностью хода лучей.

На рисунке 2 представлена рассчитанная по (3) зависимость функции ослабления от высоты антенны БС для одного из положений МС в городской районе, приведенном на рисунке 3.

Для имитации работы системы МО с ВПА была разработана программа в среде Visual Basic. Программа реализует часть функций системы МО: определяет координаты МС или ИРИ угломерным методом, определяет наименьшую высоту, при которой между приемным и передающим пунктом обеспечивается прямая видимость, позволяет изменять положение БС для определения оптимального их расположения. На начальном этапе был смоделирован городской район, плотно застроенный разноэтажными зданиями, имитирующий оцифрованную карту реальной местности. На карте выбрано месторасположение БС, а по улицам движется точка, имитирующая движение МС. На рисунке 6 представлено главное окно программы. Графики, расположенные в главном окне, отражают в реальном масштабе времени расстояние от подвижной МС до БС (по оси абсцисс отложено расстояние в относительных единицах, а по оси ординат - высота подъема антенн БС). В виде вертикальных отрезков на этом графике представлены здания, встречающиеся на пути распространения радиолуча. Одновременно программой вычисляется величина дифракционного множителя при дифракции радиосигнала на кромке металлической крыши (3), определяется высота подъема антенны БС, при которой значение дифракционного множителя не меньше его значения в свободном пространстве.

Программа позволяет определить оптимальную высоту неподвижной антенной системы, системы пеленга с ВПА, определить оптимальное местоположение БС для данного городского района, а также получить и обработать статистические данные этих величин.

Для городского района, представленного на рисунке 3 , средняя плотность застройки v = 54 км ~2, среднее значение длины зданий {L) = 170.V. По результатам имитационного моделирования необходимая высота подъема ВПА получилась равной 500 метрам, т.е. при такой высоте подъема ВПА во всех точках местонахождения МС всегда существует прямая видимость. При этом вероятность прямой видимости, рассчитанная на основе статистических моделей для данной высоты приближенно равна 0.75.

Поскольку при моделировании не учитывалось прохождение части энергии через здания, дифракционные эффекты высших порядков и т.д., найден-

""50 56 61 68 74 И У № 91 9К 104 110

"г

Рисунок 2 - Зависимость дифракционного множителя от высоты антенны БС

ные значения высот следует характеризовать как приближенные (расчет на этапе проектирования системы, определение ее оптимального местоположения, расчет выигрыша по точности разрабатываемой системы и т.д.), хотя учет всех этих эффектов в принципе может быть осуществлен ценой соответствующего усложнения аппарата.

Данная программа зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ [13] и легла в основу лабораторной работы по курсу «Системы позиционирования радиосредств».

В п.2.7 рассчитаны основные технические характеристики системы с ВПА на основе аэростатной технологии: массогабаритные характеристики, зона статического равновесия и время, требуемое для подъема системы на эту высоту; рассматривается влияние ветровых нагрузок на систему и разрабатывается алгоритм корректировки пеленга из-за смещения координат аэростата.

Из результатов вычислений следует, что аэростатная система МО может быть как статической (постоянно находиться на высоте), так и динамической (опускаться на причальную площадку), в случае необходимости на ее подъем не требуется большое количество времени и система будет достаточно оперативной.

Под влиянием ветра изменяются координаты аэростата, что может явиться причиной больших погрешностей пеленга при использовании систем позиционирования

с ВПА. Если не учитывать смещение аэростата под влиянием ветровых нагрузок, то в ряде случаев применение аэростата может быть вообще нецелесообразным. Определить собственные пространственные координаты аэростата можно путем оснащения системы с ВПА приемником GPS.

В главе 3 «Исследование вопросов повышения точности угломерного и дальномерного методов позиционирования» исследуются вопросы уменьшения погрешностей пеленга за счет конструктивных ошибок применяемых

методов.

Погрешность определения азимута направления прихода сигнала, а, следовательно, и определения местоположения МС угломерной системой МО с ВПА, зависит от вида применяемой антенной системы. Перечислим основные требования, должна обладать приемная антенная система для системы МО с ВПА:

Рисунок 3 - Главное окно программы работы системы МО с ВПА

- возможность широкоугольного (до 360°) сканирования лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плоскости;

- слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решетками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей;

- возможность формирования узкой диаграммы направленности.

Такими качествами обладает сферическая антенная решетка (САР). Построение САР позволяет использовать поверхность аэростата для уменьшения массогабаритных характеристик последнего (новые разработки в сфере нанотехнологий позволяют использовать технологию напыления (металлизации) элементов АР на оболочку аэростата). Кроме того, геометрическая форма АР в виде сферы позволяет осуществлять сканирование в любом направлении, а цифровая обработка сигнала в АР позволяет осуществлять формирование нескольких независимых лучей диаграмм направленности в различных плоскостях.

На рис. 4 схематично представлена сферическая антенная решетка с эквидистантным размещением элементов по параллелям. Диаграмму направленности САР можно записать в виде:

iE-irV'**^.-

(4)

где Ф - фазовый сдвиг из-за разности хода лучей, Фв- фаза возбуждения излучателей, обеспечивающая сложение полей 0„ф„ = cos(/?„) - амплитуда возбуждения излучателей -го кольца, М = izR/2de + 1

(5)

- число колец на сфере, n„ = 2nRsin(~^)/df (6)

- число излучателей на -м кольце.

Фазовый сдвиг из-за разности хода лучей определяется по формуле: Ф = fci?(siii0sir£^pCos(0 - уРя) + +cos8cosfip), где Др = (р - l)de/ft, YP = 2п/пр. Фаза возбуждения -го излучателя р-го кольца:

Рисунок 4 - Сферическая АР

Фе = -кЕ^Ш^трр соз(0л - ур£}) + сс^согДр).

На рисунке 5 приведена диаграмма направленности, рассчитанная для сферической решетки с числом элементов равным 263 (данное количество элементов было выбрано согласно расчетам по (5), (6)). Излучатели располагались на поверхности сферы в вершинах почт одинаковых треугольников. Симметрия структуры боковых лепестков определяется симметрией расположения излучателей решетки относительно оси диаграммы.

-2

Рисунок 5 - Диаграмма направленности сферической решетки

В п. 3.2. рассмотрено многоканальное адаптивное устройство формирования диаграммы направленности и выполнено его компьютерное моделирование. Данное устройство основано на алгоритме максимального правдоподо-бия[Л6] и позволяет получить более узкий луч диаграммы направленности в направлении источника радиоизлучений.

На рисунке 6 приведена диаграмма направленности сферической антенной решетки, полученной с применением адаптивного устройства формирования лучей.

Согласно полученным расчетам, ширина главного лепестка диаграммы направленности сферической антенной решетки при применении адаптивного устройства формирования лучей уменьшается в 6 раз.

Только наличие жесткой синхронизации БС делает целесообразным применение для МО дальномерного метода определения координат. Наиболее точно временную синхронизацию можно обеспечить с помощью спутниковых навигационных систем GPS или ГЛОНАСС. Однако в спутниковых системах также возможно возникновение ошибок (хоть и не значительных) в ходе атомных часов и орбитах спутников, представляющих собой некоррелированный во времени стохастический процесс. Оценка и минимизация ошибок данного типа относится к задаче стохастической фильтрации, которая может быть решена с использованием фильтра Калмана [Л7]. На рис. 7 представлены результаты моделирования фильтра Калмана в среде Mathcad. Ошибка синхронизации при моделировании представлена белым гауссовским шумом. Результаты моделирования показывают, что фильтр Калмана уменьшает ошибку синхронизации в 4.47 раза.

-2

Рисунок 6 -Диаграмма направленности сферической антенной решетки с адаптивным формированием лучей

w.

10cenkiij|

100 200 300 «¡0

j

- Ош&гл врелвнкшсикхроюаадаси

»Ошнха ошибки сккхроккзаиик ка вшсго фкгсьтра Кагоала

Рисунок 7 - Моделирование процесса фильтрации ошибки временной синхронизации фильтром Калмана

В главе 4 «Построение системы МО с ВПА» рассматривается структурная схема и алгоритм работы системы МО с ВПА при использовании угломерного метода определения координат.

Система МО с ВПА состоит из аэростатного комплекса и диспетчерского пункта. Обмен и передача данных между составными частями системы обеспечивается службами сети GSM.

Аэростатный комплекс состоит из антенной системы для определения пер--вичных параметров сигнала позиционирования, двух сканирующих приемников для приема и обработки сигналов с антенной системы, терминального модуля, осуществляющего взаимодействие всех элементов аэростатного комплекса и содержащего приемник GPS для определения собственных координат и комплекта источников питания: действующих и резервных.

Обобщенная функциональная схема терминального модуля представлена на рисунке 8.

Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система позиционирования ИРИ с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение места положения ИРИ угломерным методом. Данную проблему можно решить, используя современные разработки с области беспроводных высокоскоростных сетей.

БС, оснащенную системой с ВПА назовем ведущей, все остальные БС — вспомогательными. Современные беспроводные сетевые радиоисточники,

такие как Bluetooth, точки доступа, сами БС и т.д. используют протоколы, подразумевающие наличие уникального идентификатора. Данные устройства имеют в своем составе передатчик, который может регулярно посылать служебные кадры. Наличие индивидуального идентификационного номера передатчика позволяет однозначно определить его. А так как местоположение его стационарно и координаты его известны, ведущая БС, таким образом, имеет

Антенная система

Приемопередатчик OSM GPS/ГЛОНАСС Контроллер ▼ Прнсмнш всломогвтсль * Приемник мг Микро контроллер

Двунаправленная шина данны\

I 1

Блок цифровой обработки Блок сопряжении с не пол нительным и vcTTK"iB<mw »1 и Блок сопряжения с источниками

Рисунок 8 - Обобщенная функциональная схема терминального модуля

возможность подстроить пеленгационные данные, приходящие от ИРИ. Т.е., в определенный момент времени на антенную систему приходят два нужных нам сигнала: один — сигнал вспомогательных БС, требуемый для уточнения направления прихода сигнала, другой - от пеленгуемого источника ИРИ. Точно зная направление прихода первого сигнала, система может оценить пространственное направление второго. Для этого в СМО с ВПА предусмотрено два приемника: один для приема и обработки вспомогательного сигнала, другой - для получения и обработки сигнала от МС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена вариант построения системы МО ИРИ и доказано повышение точности МО ИРИ системы с ВПА на основе модели распространения сигнала, стандартизированной в системах GSM, проведено имитационное моделирование, подтверждающее эффективность системы МО с ВПА.

2. Проведен анализ и выбраны оптимальные методы позиционирования для нужд служб, осуществляющих ОРМ.

3. Исследованы основные характеристики системы МО с ВПА (размер аэростата, время, затрачиваемое на подъем системы, высота подъема системы), исследовано влияние ветровых нагрузок на систему с ВПА и предложен алгоритм и программа корректировки пеленга из-за смещения системы под действием ветра.

4. Предложены возможные пути повышения точности МО угломерного и дальномерного методов.

5. Разработана структурная схема системы МО ИРИ с ВПА.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Прошечкина Н. В. Оценка точности пеленга за счет подъема приемной антенны [Текст] / Прошечкина Н. В., Тяжев А. И.// Инфокоммуникационные технологии. - 2006 . -№4 - С.48-51.

2. Прошечкина Н. В. Построение модели местоопределения абонента методом Монте-Карло [Текст] / Прошечкина Н. В., Тяжев А. И.// Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: тез.докладов VIIМНТК, 2006г., г. Самара. - Самара, 2006. - С. 247-248.

3. Прошечкина Н. В. Методы повышения точности позиционирования мобильных телефонов и уменьшения технических затрат [Текст]/ Прошечкина Н. B.//XIII юбил. рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов , 2006 г., г. Самара. - Самара,2006.-С. 103-104

4. Прошечкина Н. В. Влияние ветровой нагрузки на поднятую аэростатом [Текст] / Прошечкина. Н. В.// Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: тез.докладов VIII МНТК, 2007г., г.Уфа. - Уфа, 2007. - С. 182-184.

5. Прошечкина Н. В. Особенности моделирования в радиолокации [Текст]/ Прошечкина Н. В., Тяжев А. И.// XVI рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов , 2007 г., г. Самара. - Самара, 2007. - С. 84-85.

6. Прошечкина Н. В. Влияние ветра на координаты высоко поднятой с помощью аэростата антенны [Текст]/ Тяжев А. И., Прошечкина Н. В.// XVI рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов , 2007 г., г. Самара. - Самара, 2007. - С. 8485.

7. Прошечкина Н. В. Исследование аэродинамических характеристик системы позиционирования мобильных радиосредств с высокоподнятиой антенной [Текст] / Прошечкина Н. В. // Вестник СОНИИР. - 2008. - №4(22). - С.85-90.

8. Прошечкина Н. В. Повышение точности позиционирования мобильных радиосредств за счет использования высокоподнятой антенны [Текст] / Прошечкина Н. В.// Ин-фокоммуникационные технологии. - 2008 . - №4 - С.78-80

9. Прошечкина Н. В. Влияние метеорологических характеристик на точность пеленга в системе позиционирования с высокоподнятой антенной [Текст]/ Прошечкина Н. В., Тя-жев А. И.// XVII рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов

2008 г., г. Самара. - Самара, 2008. - С. 137-138.

10. Прошечкина Н. В. Задача о случайных блужданиях и ее применение в мобильном позиционировании [Текст]/ Прошечкина Н. В.// XVII рос науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов, 2008 г., г. Самара. - Самара, 2008. - С. 137-138.

11. Прошечкина Н. В. Система корректировки пеленга радиосредств [Текст]/ Прошечкина Н. В.// XVIII рос. науч. конф. ППС, науч. сотрудников и аспирантов: тез. докладов

2009 г., г. Самара. - Самара, 2009. - С. 137-138.

12. Прошечкина Н. В. Оценка точностных характеристик системы позиционирования с высокоподнятой антенной [Текст] / Прошечкина Н. В. // Вестник СОНИИР - 2009 -№1(23).-С.85-90.

13. Прошечкина Н. В. Исследование угломерного метода определения местоположения подвижного объекта в реальных городских условиях// Свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса № 00157.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

JII. Закон об оперативно-розыскной деятельности в Российской'федерации [Текст] // Криминальный вестник Саякт-Петербурга. - 1992. - №8. - С. 4-5.

Л2. Громаков Ю.А. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS [Текст] / Громаков Ю. А., Северин А. В., Шевцов В. А. - М.: Эко-Трендз. - 2005. - 144 с.

JI3. Пономарев J1. И. Распространение УКВ в городе [Текст] / Пономарев Л. И., Куликов А. М., Тельпуховский Е. Д.. -Томск: МП «Раско». - 1991.-217 с.

Л4. Феер К. Беспроводная цифровая связью методы модуляции и расширения спектра [Текст] / Пер. с англ. Под ред. Журавлева В. И. - М. - Радио и связь - 2000. - 520 с.

Л5. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн [Тексгг]/Черный Ф. Б. - М.: Изд-во "Советское радио". - 1962. - 480 с.

Лб.Уидроу Б., Стиринз С. Адаптивная обработка сигналов [Текст]/ Пер. с англ.. - М.: Радио и связь. - 1989. - 440 с.

Л7. Браммер К. Фильтр Калмана-Бьюси: детерминированное наблюдение и стохастическая фильтрация [Текст] / Пер. с нем. Под ред. Казакова И. Е. - М. - "Наука". - 1982 с.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и

информатики» 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого 23.

Отпечатано фотоспособом в соответствии с материалами, представленными

заказчиком_

Подписано в печать 10.11.09г. Формат 60x84'/^ Бумага писчая№1 Гарнитура Тайме Заказ 509. Печать оперативная .Усл. печ. л.0,92. Уч. изд. л.0,87. Тираж 130 экз Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета

телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе 77. т. (846) 228-00-44

Введение.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ РАДИОСРЕДСТВ.

1.1. Системы связи с подвижными объектами как источник оперативной информации.

1.2. Роль системы МО источников радиоизлучений в службах радиоконтроля.

1.3. Технологии местоопределения в сетях сотовой связи.

1.3.1. Угломерный метод определения координат.

1.3.2. Дальномерный и разпостно-дальномерный методы определения координат

1.3.3. Позиционирование по "радиоотпечаткам".

1.3.4. Системы на основе GPS и ГЛОНАСС.

1.3.5. «Интегрирование» технологий.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ МО ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ С ВЫСОКОПОДНЯТОЙ АНТЕННОЙ.

2.1. Особенности распространения радиоволн диапазона УВЧ в условиях городов и сильно пересеченной местности.

2.2. Обзор основных существующих моделей и экспериментальных исследований многолучевого канала связи в городских условиях.

2.2.1.Статистическая модель городской застройки.

2.2.2.Вероятность прямой видимости.

2.3. Модель многолучевого распространения радиоволн системы GSM.

2.3.1. Компьютерное моделирование имитатора релеевских замираний.

2.4. Определение прямой видимости методом физической оптики. Первое приближение.

2.5. Влияние экранирующих препятствий на распространение радиосигнала.

2.6 Программное моделирование работы системы МО с ВПА.

2.7. Определение технических характеристик системы с ВПА на основе аэростатной технологии.

2.7.1. Определение размеров аэростата.

2.7.2. Влияние температур и сопротивления воздуха на подъем аэростата.

2.7.3. Определение максимальной высоты подъема аэростата с учетом аэродинамических характеристик.

2.7.4. Расчет времени, требуемого для подъема аэростата.

2.7.5. Влияние на точность пеленга смещение координат ВПА под воздействием ветровых нагрузок.

2.8. Корректировка пеленга с учетом смещения координат ВПА.

2.8.1. Беспроводные промышленные системы сбора и обработки данных.

2.8.2. Использование радионавигационной системы GPS для определения собственных координат аэростата.

2.8.3 Программные средства для корректировки пеленга из-за смещения ВПА.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Исследование вопросов повышения точности угломерного и дальномерного методов позиционирования.

3.1. Повышение точности угломерной и дальномерной систем МО.

3.2. Уменьшение погрешности определения азимута угломерной системы МО за счет применения антенных решеток с цифровой обработкой сигнала.

3.2.1. Характеристики направленности сферической антенной решетки.

3.2.2 Построение адаптивной цифровой АР.

3.2. Уменьшение погрешности дальномерной СМО, вызванной потерей временной синхронизации БС.

3.2.1 Математическая модель стохастической фильтрации с использованием фильтра Калмана.

3.2.2 Моделирование процесса фильтрации ошибки временной синхронизации с помощью фильтра Калмана.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ МО С ВПА.

4.1. Структурная схема системы МО с ВПА.

4.2. Принцип функционирования системы МО с ВПА.

4.3. Решение вопросов, связанных с поворотом системы пеленга под воздействием метеорологических явлений.

Выводы к главе 4.

Во всех поколениях сотовой связи функции определения местоположения абонентов являются одними из главных. Система сотовой связи должна постоянно получать сведения о местоположении мобильной станции (МС), чтобы обеспечить ей доставку вызова либо от абонента фиксированной сети, либо от мобильного абонента. В существующих стандартах систем связи с подвижными объектами (ССПО) местоположение МС определяет сама ССПО, при этом точность местоопределения (МО) может изменяться от сотен метров до километров.

Однако для развития услуг нового поколения, связанных с местоположением МС (навигационные, помощь при авариях, срочная медицинская помощь и т.д.), требуется более высокая точность определения географических координат МС и их однозначная привязка к цифровой карте местности. В этом случае точность МО МС в формате « в какой соте», доступная в условиях функционирования сотовых сетей второго поколения, недостаточна. Необходимо внедрение новых методов МО МС на основе дополнительных возможностей сетей цифровой сотовой связи, а также возможностей вспомогательных систем и устройств, обеспечивающих более точное определение координат объектов.

Одной из задач позиционирования является обеспечение отслеживания местоположения мобильных устройств в случае экстренных ситуаций, например, нахождение места абонента, позвонившего в одну из служб экстренной помощи с сотового телефона. Это, естественно, должно способствовать упрощению и ускорению прибытия спасательных служб. А абоненты благодаря внедрению этой технологии получают возможность, обращаясь за помощью в аварийных ситуациях, быть уверенными, что помощь придет.

На принципиально новом уровне вопрос позиционирования МС был поставлен Федеральной комиссией по электросвязи США (FFC). На этапе обсуждения 25% обращений в службу экстренной помощи поступало с мобильных телефонов - это примерно 1 ООО звонков в сутки. Причем многие пострадавшие не могли точно определить место своего нахождения, что значительно затрудняло их поиски и, в конечном счете, являлось вопросом жизни и смерти. Разработанный FFC набор требований, известный как документ 94-102, принятый 1996.06.12, предусматривает, чтобы к 2001 году местоположение любого беспроводного абонента, позвонившего по телефону службы спасения «911», могло быть не менее чем в 67% случаев определено с погрешностью не более 125 метров.

На данный момент разработано достаточно большое число систем позиционирования, однако все существующие технологии разработаны для использования процесса местоопределения (МО) как услуги и не предполагают их использование для нужд оперативно-розыскных мероприятий (ОРМ).

Имеется возможность реализации систем позиционирования, основанных на классических методах радиопеленгации - угломерном, дально-мерном. Угломерный и дальномерный методы позволяют определять координаты подвижного объекта без вовлечения в процесс МО МС, что представляет возможным их использование для нужд ОРМ. Однако, для реализации указанных методов существуют проблемы практического характера:

- в условиях мегаполиса при плотной городской застройке всегда имеет место многолучевой прием, при котором на БС может приходить как прямой радиосигнал, так и отраженный от стен домов и других объектов. В связи с этим амплитуда сигналов, угол их прихода и, следовательно, значение расстояния от МС до БС, а фактические координаты определяются либо с большой погрешностью, либо их определение вообще невозможно;

- точность определения направления прихода радиосигнала при угломерном методе прямо пропорциональна ширине диаграммы на5 правленности (ДН) применяемой антенны, т.е. требуются адаптивные и интеллектуальные антенные решетки; - точность МО при дальномерном методе пропорциональна ошибке временной синхронизации БС.

Целью диссертационной работы является исследование возможных путей повышения точности МО в системах мобильной связи классическими методами радиопеленгации — угломерным и дальномерным в условиях воздействия многолучевости, а также минимизация погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов МО.

В частности, предлагается повышать точность позиционирования за счет использования высокоподнятой приемной антенны. Под высокопод-нятой антенной (ВПА) понимается антенная система, поднятая на высоту, много большую, чем высота городской застройки. Такую систему можно реализовать с помощью привязного аэростата, аэрозонда или высотного дирижабля.

Погрешность определения азимутов при использовании угломерного метода МО предлагается уменьшать применением специальных адаптивных сферических антенных решеток (САР). Ошибку временной синхронизации при использовании дальномерного метода предлагается оценивать и минимизировать с помощью фильтра Калмана.

В связи с вышеизложенным можно выделить следующие основные задачи диссертационной работы:

- исследование и оценка точностных характеристик технологии место-определения с высокоподнятой антенной в городских условиях;

- исследование основных параметров системы с высокоподнятой антенной на основе аэростатной технологии;

- имитационное моделирование работы системы местоопределения с высокоподнятой антенной МО в условиях плотной городской застройки;

- исследование возможных вариантов минимизации погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов местоопределения;

- разработка структурной схемы системы местоопределения с высоко-поднятой антенной.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Выводы к главе 4

1. Система МО с ВПА состоит из аэростатного комплекса и диспетчерского пункта. Обмен и передача данных между составными частями системы обеспечивается службами сети GSM.

2. Аэростатный комплекс состоит из адаптивной антенной системы, двух приемников и терминального модуля.

3. Терминальный модуль содержит приемопередатчик GSM, GPS или ГЛОНАСС контроллер, блок сопряжения с антенной системой, блок обработки аналоговых сигналов, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с источниками питания и микроконтроллер.

4. Программно-технический комплекс диспетчерского пункта представляет собой комплекс информационных, программно-технических и технологических средств, обеспечивающий сбор, анализ и накопление сведений позиционирования контролируемого объекта, выработку и передачу управляющих воздействий, соответствующих сложившейся ситуации.

5. Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система МО с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение местоположения ИРИ угломерным методом. Данную проблему можно решить, используя современные разработки в области беспроводных высокоскоростных сетей.

Заключение

На основании действующего законодательства ряду министерств и ведомств разрешено добывание информации из технических средств связи в процессе ведения ОРМ.

Система МО, основанная на использовании «радиоотпечатков», дает большую погрешность, т.к. сигнатура сигнала сильно зависит от расположенных рядом с передатчиком объектов, а также может существенно измениться при перемещении передатчика. Кроме этого существует ряд ситуаций, когда этот метод вообще не применим.

При использовании GPS и A-GPS обеспечивается достаточно высокая точность местоопределения ИРИ и глобальное покрытие. Однако при этом требуется модификация радиотелефона путем добавления в него GPS приемника и средств передачи координатной информации в сотовую сеть, а также зона определения координат имеет ограничения, связанные с возможностью потери сигналов спутников в закрытых помещениях, низинах, центрах городов или под плотной листвой. Кроме этого, этот метод не применим к задачам оперативно-розыскных мероприятий, т.к. приемник GPS в МС может отсутствовать или отключаться.

В специализированных системах МО при определенном дооснаще-нии базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, основанное на классических методах радиопеленгации - дальномерном, разностно-дальномерном и угломерном.

По результатам анализа существующих систем МО, можно сделать вывод, что оптимальными методами для нужд ОРМ является угломерный и дальномерный методы определения координат. Однако, без специальных технологий угломерный и дальномерный методы дают в условиях много-лучевости большие погрешности. Кроме этого, на точность позиционирования влияют погрешности, обусловленные спецификой каждого из этих методов.

При использовании угломерного метода для МО необходимо высокоточное определение азимутов направления прихода сигнала. Например, для расстояния между БС] и БСг равного 10 км и при ошибке определения азимутов <та = 1° погрешность пеленга достигает 170 метров, а при ста = 7° погрешность местоопределения увеличивается до 1,19 км.

Дальномерный метод требует жесткой синхронизации временных шкал БС. Так, при расстоянии между БС 10 км и ошибке измерения временных интервалов <jx = 10~7 с погрешность местоположения составляет 43 метра, при сг. =1 мкс — 427 метров, а при ст. = 10~5 с ошибка увеличивается до 4.2 км, что неприемлемо для современных систем местоопределения.

Есть все основания считать привязные аэростаты и стратосферные дирижабли перспективными носителями электронных средств, как военного, так и гражданского назначения. Однако для полноценного функционирования этих носителей требуется создание специализированной аппаратуры или соответствующая модификация существующих средств. В качестве начального этапа таких работ становится очевидной необходимость проведения научно-технических исследований в соответствующих областях.

Развитие нанотехнологий в производстве композитных материалов, непрерывное совершенствование функциональных качеств и миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры и систем автономного электропитания., позволяет разрабатывать аэростатные комплексы с минимальными массогабаритными характеристиками.

Наиболее сложные условия распространения радиоволн ОВЧ-УВЧ диапазона наблюдаются в крупных городах, застроенных разноэтажными зданиями. Распространяясь в пределах прямой видимости, электромагнитные волны в ССПО испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и поглощения в них. В результате многолучевого распространения в точке приема БС имеет место суперпозиция нескольких, точнее множества сигналов, пришедших по различным путям и имеющим различные амплитуды, фазы, времена распространения, плоскости поляризации.

Согласно экспериментальным данным, подъем антенны БС приводит к уменьшению затуханий сигнала. Если расстояние между антеннами лежит в пределах от 1 до 15 км, то затухание медианного значения мощности сигнала уменьшается с расстоянием от величины, приблизительно обратно пропорционально четвертой степени расстояния при очень малых высотах антенны БС, до величины, лишь незначительно меньшей соответствующего значения для свободного пространства при достаточно больших высотах антенны БС.

Определяющую роль при распространении ОВЧ-УВЧ в городе играют затенения, создаваемые зданиями. Поэтому важнейшей величиной является вероятность прямой видимости между приемной и передающими антеннами. Для доказательства повышения точности системы пеленга с ВПА достаточно оценить, насколько повышается вероятность прямой видимости при подъеме антенны. Согласно полученным результатам, в процентном соотношении вероятность прямой видимости увеличивается приблизительно на 91% при v = 10 км"2 и v = 20 км-2 и на 73% при v = 100 км-2.

Для оценивания точности систем МО, работающих в стандарте GSM, можно воспользоваться стандартизированной моделью распространения радиосигнала, широко используемой при проверках характеристик оборудования GSM. Результаты компьютерного моделирования показали: «качество» принимаемого сигнала с подъемом приемной антенны на высоту от 2000 м до 3000 м увеличивается на 54% (уменьшаются паразитные составляющие спектра, вызванные многолучевым распространением).

Для систем позиционирования, основанных на угломерном методе определения координат, первичным определяемым параметром является угол прихода сигнала. Точность данного метода, в основном, зависит кар

103 тины многолучевого распространения сигнала. Соответственно, при уменьшении эффекта многолучевости уменьшается погрешность МО указанным методом.

В рамках имитационного моделирования системы МО с ВПА высота подъема системы, при которой меду МС и БС имеется прямая видимость, оценивалась с использованием теории аналитической геометрии. В частности, для городского района, средняя плотность застройки которого v = 54 «ж "2, среднее значение длины зданий (L) = 170 м, необходимая высота подъема ВПА получилась равной 500 метрам, т.е. при такой высоте подъема ВПА во всех точках местонахождения МС всегда существует прямая видимость. При этом вероятность прямой видимости, рассчитанная на основе статистических моделей для данной высоты приближенно равна 0.75.

Максимальная высота подъема аэростатной системы (зона статического равновесия) с учетом только аэродинамических характеристик составила: 2150 метров для аэростата, наполненного водородом, 1174 метра для аэростата, наполненного гелием.

Кроме аэродинамической формулы расчета максимальной высоты подъема аэростатной системы возможно определение высоты с использованием таблиц стандартной атмосферы. Высоты, рассчитанные с помощью таблиц равны: 2550 метров для аэростат, наполненного водородом, 1600 метров для аэростата, наполненного гелием.

Для проектирования системы с ВПА требуется расчет времени, за которое аэростат может подняться на максимальную высоту. Это требуется прежде всего для оценки оперативности работы системы пеленга с ВПА. Полученные расчеты позволяют сделать вывод, что аэростатная система пеленга ИРИ с ВПА может быть как статической (постоянно находится на высоте), так и динамической (опускаться на причальную площадку).

Ветровые нагрузки существенно влияют на точность позиционирования ИРИ. Если не учитывать отклонение аэростат от вертикали под действием силы ветра, то применение системы пеленга с ВПА становиться нецелесообразным. Современные технологии позволяют дистанционно и высокоточно определять силу и направление воздушных потоков, а специально разработанные программы учитывать корректировать смещения системы под действием ветровых нагрузок. Кроме этого, возможно определение собственных координат аэростата с использованием навигаторов системы GPS.

Погрешность систем МО, основанных на любых методах радиопеленгации, зависит от двух составляющих. Первая составляющая погрешности обусловлена многолучевым распространением радиосигнала. Вторая составляющая зависит от особенностей каждого из методов МО. Так, для угломерных систем МО эта составляющая зависит от вида применяемых приемных антенн, для дальномерных систем - от качества систем синхронизации БС.

Составляющей погрешности угломерного метода является ошибка определения азимута самой антенной системой. Для минимизациии данной погрешности для системы МО с ВПА требуется использование адаптивных антенных решеток. Для задач МО системой с ВПА выбрана сферическая антенная решетка с эквидистантным расположением элементов по параллелям. Причем для задач МО достаточно разместить элементы антенной решетки в нижней части полусферы. При таком расположении потребуется 263 излучателя.

При использовании адаптивной обработки сигналов в антенной системе возможно формирование более узко луча диаграммы направленности. В частности, адаптивное устройство на основе алгоритма максимального правдоподобия позволяет увеличить разрешающую способность антенной решетки в 6 раз.

Только наличие жесткой синхронизации БС делает целесообразным применение для МО дальномерного метода определения координат. В системе возможно возникновение ошибок временной синхронизации, которые приводят к ошибкам МО. Ошибки синхронизации представляют собой некоррелированный во времени стохастический процесс. Оценка и минимизация ошибок данного типа относится к задаче стохастической фильтрации, которая может быть решена с использованием фильтра Калмана. Согласно полученным результатам моделирования процесса фильтрации, ошибка временной синхронизации может быть уменьшена в 5 раз.

Система МО с ВПА состоит из аэростатного комплекса и диспетчерского пункта. Обмен и передача данных между составными частями системы обеспечивается службами сети GSM.

Аэростатный комплекс состоит из адаптивной антенной системы, двух приемников и терминального модуля.

Терминальный модуль содержит приемопередатчик GSM, GPS или ГЛОНАСС контроллер, блок сопряжения с антенной системой, блок обработки аналоговых сигналов, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с источниками питания и микроконтроллер.

Программно-технический комплекс диспетчерского пункта представляет собой комплекс информационных, программно-технических и технологических средств, обеспечивающий сбор, анализ и накопление сведений позиционирования контролируемого объекта, выработку и передачу управляющих воздействий, соответствующих сложившейся ситуации.

Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система МО с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение местоположения ИРИ угломерным методом. Данную проблему можно решить, используя современные разработки в области беспроводных высокоскоростных сетей.

1. Громаков Ю. А. Тенденции развития сотовых систем подвижной радиосвязи в России Текст./ Ю. А. Громаков // Электросвязь. 1993. -№8. - С.28-33.

2. Закон о федеральных органах правительственной связи и информации Текст. // Ведомости съезда народных депутатов РФ. — 1993. №12. -С. 1024-1032.

3. Закон об оперативно-розыскной деятельности в Российской Федерации Текст. // Криминальный вестник Санкт-Петербурга. 1992. - №8. - С.4-5.

4. Закон о безопасности Текст. // Ведомости съезда народных депутатов РФ. 1993. - №15. - С. 1024-1032.

5. Определение местоположения в сетях CSM Интернет ресурс. / Web-сайт Корпорация связи, ru. URL: http://www.corporacia. Ru / pages/ page / show / 365.htm/25.05.2008.

6. Логинов H. А. Актуальные вопросы радиоконтроля в РФ Текст./ Н. А. Логинов// М.: Радио и связь.- 2000. - 240 с.

7. Громаков Ю. А. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS Текст. / Громаков Ю. А., Северин А. В., Шевцов В. А. М.: Эко-Трендз. - 2005. - 144 с.

8. Склоцкий Р. Услуги, зависящие от местоположения абонента: мобильные телефоны с «чувством места» и создание дополнительной стоимости Текст. /Склоцкий Р. // Мобильные системы. 2000. - №5. - С. 2629.

9. Меныпенин С. В. Алгоритм обработки информации пеленга в системах сотовой связи Текст./Меныпенин С. В.,Овчинников П. И,Тяжев А. И.// Вестник СОНИИР. 2002. - №1. - С.68-70.

10. Cellocate Technology Overview Интернет ресурс. / Web-сайт cell-loc.com. URL: http://www.cell-loc.com/howtech.html / 15.02.2008.

11. Рыжиков С. Обзор современных систем позиционирования мобильных телефонов Интернет ресурс. / Web-сайт bre.ru. URL: http: // www.bre.ru / security / 13022.html

12. CELLTRAX, Inc Интернет ресурс. / Web-сайт http://www.aercomtec.com/MTGL.htm / 13.05.2009

13. Зарецкий С. В. Использование сигнатур для повышения точности местоположения подвижных системах позиционирования Текст./ Зарецкий С. В.// Электронный журнал «Исследовано в России». 2001. - С. 937-943.

14. Radiocamera Интернет ресурс. / Web-сайт uswcorp.com. URL: http:// www.uswcorp.com / RadioCamera.cfm?pt

15. Соловьев Ю А. Системы спутниковой навигации Текст./Соловьев Ю. А. М.: Эко-Трендз. - 2000. - 267 с.

16. Сидоров М. ГЛОНАСС реальный конкурент GPS? Интернет ресурс./ Web-сайт Mobiset.ru. URL: http: // www.mobiset.ru / articles / text / ? id=852./ 24.09.2008.

17. Технология A-GPS Интернет ресурс. Web-сайт http://www.nokia.ru/explore-services/nokia-maps/support/assisted-gps

18. Аманов С. А. Влияние рельефа горной местности и метеоусловий на распространение УКВ Текст./ Аманов С. А. Фрунзе: Илим. - 1981. -127 с.

19. Аманов С. А. Радиосвязь и распространение радиоволн в горных условиях Текст. / Аманов С. А., Сабырдин М. А. Фрунзе: Илим. - 1997. -79 с.

20. Турусбеков М. Т. Дифракция и пассивная ретрансляция УКВ в горной местности Текст. / Турусбеков М. Т. Фрунзе: Илим. - 1978. - 87 с.

21. Цыдымов И. Ц. Распространение УКВ в гористой местности Текст. / Цыдымов И. Ц. Новосибирск: СОАН СССР. - 1977. - 91 с.

22. Hota M. Empirical formula for propagation in land mobile radio service Text./ Hata M. IEEE Trans. Veh. Technol. - 1980 - v.VT-29 - vo.3 - p. 317-325.

23. Lee W. C. Y. Mobile communications engineering Text. Lee W. C. Y. -Mc. Grow-Hill N.Y. - 1982.

24. Пышкин И. M. Системы подвижной радиосвязи Текст./Пышкин И. М., Дежурный И. И., Талызин В. Н., Чвилев Г. Д.; Под ред. Пышкина И. М. М.: Радио и связь. - 1986. - 328 с.

25. Соловьев А.А. Техническая энциклопедия пейджинговой связи Текст. Соловьев А.А., Смирнов С.И. -М.: Эко-Трендз. 1997. - 278 с.

26. Ермолаев В. Т. Гауссовская модель многолучевого канала связи в городских условиях Текст./ Ермолаев В. Т., Флаксман А. Г., Аверин И. М.// Вестник ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Серия Радиофизика. -2003.-№2.-С. 127-136.

27. Clarke R. Н. Text. Bell System Journal July-August - 1968 - P.957-1000

28. Liberti J.C., Rappaport T. S. Text. Proc.IEEE Vehicular Technology Conf. - 1996 - P. 844-848

29. Allsebrear К. Mobile radio propagation in British cities at frequencies in VHF and UHF band service Text. / Allsebrear K., Parson J. Proc. IEEE. -1991. -№3. -P.278-309.

30. Пономарев JI. И. Распространение УКВ в городе Текст. / Пономарев Л. И., Куликов А. М., Тельпуховский Е. Д. — Томск: МП «Раско». -1991.-368 с.

31. Пономарев Л. И. Моделирование радиотрасс мобильных систем связи Текст. / Пономарев Л. И., Манкевич Т. Л. — Успехи современной радиоэлектроники. — 1999. №8. - С. 45-58.

32. Абилов А. В. Распространение радиоволн в сетях подвижной связи Текст. / Абилов А. В. Ижевск: Изд-во ИжГТУ. - 2001. - 2А с.

33. Прошечкина Н. В. Оценка точностных характеристик системы позиционирования с высокоподнятой антенной Текст. / Прошечкина Н. В. // Вестник СОНИИР. 2009. - №1(23). - С.85-90.

34. Попов В. И. Основы сотовой связи стандарта GSM Текст. / Попов В. И. М.: Эко-Трендз. - 2005. - 296 с.

35. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра Текст. / Феер К. Пер. с англ. Под ред. Журавлева В. И. -М.: Радио и связь. - 2000. - 520 с.

36. ИвановаВ. Г. Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры Текст. / Иванова В. Г., Тяжев А. И. Самара:Изд-во Офорт. - 2008. -262 с.

37. Ефимов Н. В. Краткий курс аналитической геометрии Текст. / Ефимов Н. В. М.: «Наука». - 1975. - 272 с.

38. Долуханов М. П. Распространение радиоволн Текст./Доруханов М. П. М.: Изд-во лит-ры по вопросам связи и радио. - 1960. — 391 с.

39. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн Текст./Черный Ф. Б. — М.: Изд-во "Советское радио". 1962. - 480 с.

40. Верба В. Применение привязных аэростатов и автономных высотных дирижаблей Текст. / Верба В // Аэрокосмический курьер. 2005. -№1. - С.32-33.

41. Рыжов Ю. А. Композиционные материалы для мягких оболочек дирижаблей и аэростатов Интернет ресурс. / URL: http: // www.polymery.ru /letter.php?nid=2012&catid=3/ 15.03.2008.

42. Суперкабель для аэростатов с применением арамидных волокон Интернет ресурс. / Web сайт Севкабель холдинг, ru. URL: http: //www.e-plastic.ru / main / news?id=1683/ 10.01.2009.

43. Полозов H. П. Воздухоплавание Текст. / Полозов H. П., Сорокин М. А. М.: Воениздат НКО СССР. - 1940. - 376 с.

44. Фабрикант Н, Я. Аэродинамика. Общий курс. Текст. / Фабрикант Н. Я. -М.:Наука. 1964. - 814 с.

45. Прошечкина Н. В. Исследование аэродинамических характеристик системы позиционирования мобильных радиосредств с высокоподня-тиой антенной Текст. / Прошечкина Н. В. // Вестник СОНИИР. — 2008. №4(22). - С.85-90.

46. Прошечкина Н. В. Повышение точности позиционирования мобильных радиосредств за счет использования высокоподнятой антенны Текст. / Прошечкина Н. В. // Инфотелекоммуникационные технологии. 2008. - №4 - С. 78-80.

47. Hanwell г12000 двухканальные телеметрические измерительные модули температуры и влажности Интернет ресурс. / Web сайт wftest.ru. / URL: http://www.wftest.ru/viewitem.php?id=272

48. Локатор Trimble TrimTrac Интернет ресурс. / Web сайт gisa.ru. / URL: http://www.gisa.ru/13 086.html

49. Вендик О. Г.Антенны с электрическим сканированием Текст. / Вен-дик О.Г., Парнес М.Д., Бахрах Л.Д. 2001. - 250 с.

50. Zhao G. MIMO Capacity of Multipath-Clustered Channels Using Fourier Transform Techniques Text./ Zhao G., Loyka S.

51. Rostami-Ravarai A. Geometrically-Based Space-Time Deterministic Multi-path Fading Channel Model with Application to Spatial Correlation Verification of Multi-Antenna Systems Text./ Rostami-Ravarai A., Mohd. Ali

52. B., Jamuar S. S., Siddiqi M. U.

53. Sivaradje G. Direction of Arrival based Interference Reduction and Capasi-ty Enhancement using Smart Antennas in CDMA Networks Text./ Siva-radje G., Ayyappan K., Dananjayan P.

54. J.-A. Tsai. Spatial Fading Correlation Function of Circular Antenna Arrays With Laplacian Energy Distribution Text./ J.-A. Tsai, Buehrer R. M. Woerner B. D.// IEEE Com.Letters/ 2002/ - №5. - Vol.6. - P. 178-180/

55. Zaharov V. Smart Antenna Application for Satellite Communication Systems With Space Division Multiple Acces Text./ Zaharov V., Casco F., Gutierrez M.// Journal of Radio Electronics/ 2001. - №2.

56. Воскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток Текст./ Воскресенский Д. И., Степа-ненко В. И., Филиппов В. С. и др. Под редакцией Воскресенского Д. И. М.: Радиотехника. - 2003. - 632 с.

57. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст. / Корн Г., Корн К. М.: Наука - 1974. - 382 с.

58. Теребиж В. Ю. Введение в статистическую теорию обратных задач Текст./ Теребиж В. Ю. М.: Физматлит. - 2005. - 376 с.

59. Льюинг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя.Текст./ Лыоинг Л. М.: Наука - 1991. - 432 с.

60. Уидроу Б., Стиринз С. Адаптивная обработка сигналов Текст./ Пер. с англ. М.: Радио и связь. - 1989. - 440 с.

61. Ю.А. Громаков Организация физических и логических каналов в стандарте GSM Текст. / Громаков Ю. А. // Электросвязь. — 1993. №10.1. C.9-12.

62. Пугачев B.C. Стохастические дифференциальные системы. Анализ и фильтрация Текст. / Пугачев B.C., Синицын И.Н. 1990. - 642 с.

63. Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана Текст. / Балакришнан А.В. Изд-во "Мир". - 1988. - 86 с.

64. Лоусон Ч. Численное решение задач методом наименьших квадратов Текст. / Лоусон Ч., Хенсон Р. 1986. - 232 с.

65. Ширяев А.Н. Вероятность Текст. / Ширяев А.Н. 1980. - 594 с.

66. Браммер К. Фильтр Калмана-Бьюси: детерминированное наблюдение и стохастическая фильтрация Текст. / Пер. с нем. Под ред. Казакова И. Е. М. - "Наука". - 1982 с.

67. Козлов М. В. Введение в математическую статистику Текст. / Козлов М. В., Прохоров А. В. М.: Изд-во МГУ. - 1987. - 264 с

68. Обзор точек доступаИнтернет ресурс. / URL: http://www.tulalink.ru/articles/tochkidostupa/ 20.05.2009 г.