автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Однопозиционный метод определения местоположения источников радиоизлучения с использованием отражений сигналов от множества элементов рельефа и местных предметов

00501Зо/о

На правах рукописи

Гельцер Андрей Александрович

ОДНОПОЗИЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ОТ МНОЖЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЬЕФА И МЕСТНЫХ ПРЕДМЕТОВ

Специальность 05.12.14 - радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 мдр Ж2

Томск 2012

005013826

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Денисов Вадим Прокопьевич (г. Томск, каф. РТС ТУСУРа)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Якубов Владимир Петрович

(г. Томск, зав. каф. радиофизики ТГУ)

кандидат технических наук Хомич Евгений Васильевич (г. Омск, генеральный директор ООО «Инженерный центр Автоматика»)

Ведущая организация: 3-й Центральный научно-

исследовательский институт Министерства обороны РФ

Защита состоится « Щ » марта 2012 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан « ¡О » февраля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.286.04 г^^Р"^

доктор технических наук, профессор V / Акулиничев Ю.П.

Актуальность темы исследований. Разрабатываемый однопозиционный метод определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ) предназначен для использования в станциях радиотехнической разведки (РТР).

Основная задача радиотехнической разведки - обнаружение работающих радиотехнических средств, определение их координат и параметров излучаемых сигналов. Важной особенностью пассивных средств разведки является то, что при выполнении задачи они не облучают объект разведки радиоволнами, что обеспечивает скрытность их работы.

В настоящее время определение координат станциями наземной разведки осуществляется пеленгационным или разностно-дальномерным методом, а также их комбинацией. Для их реализации станция разведки должна иметь два-три приемных пункта, разнесенных на единицы-десятки километров друг от друга для обеспечения достаточной точности местоопределения. Между этими пунктами, образующими измерительную базу системы местоопределения, организуется линия радиосвязи и обмена информацией, которая демаскирует станцию разведки, делая ее уязвимой.

Поэтому изыскиваются возможности уменьшить расстояние между приемными пунктами, в пределе вести разведку из одного приемного пункта. В частности, это представляется возможным сделать, анализируя в точке приема (наряду с прямым сигналом источника) отражения сигнала от объектов на местности.

Сложность задачи заключается в разнообразии количества, форм и взаимного расположения протяженных и точечных объектов, встречающихся на местности, из-за чего чрезвычайно трудно однозначно определить местоположение объекта, от которого был отражен сигнал ИРИ. Эта задача в полном объеме не решена до сих пор. Поэтому тема диссертации актуальна.

В диссертационной работе использованы экспериментальные данные об особенностях распространения радиоволн сантиметрового диапазона, полученные в ходе выполнения проекта «Пространственно-временные модели ультракоротких сигналов, распространяющихся вдоль неровной земной поверхности» в рамках ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 гг.), а также проекта «Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

При выполнении указанных работ выявлено существенное влияние отражений радиоволн от неровностей рельефа, опушек леса, кустарников, искусственных сооружений и т.п. на сигналы источника радиоизлучения, прошедшие наземную трассу распространения радиоволн (РРВ). Автором были проведены исследования, направленные на выделение отраженных сигналов, определение местоположения объектов, от которых они были отражены, и их отражательных свойств. Была оценена возможность использования множества отражателей на трассе в качестве элементов измерительной базы системы местоопределения, чтобы превратить переотражения из мешающего фактора в полезный.

Цель диссертационной работы - разработать метод использования отражений от множества одиночных и протяженных объектов в условиях пересеченной местности как основу для создания однопозиционной системы РТР сантиметрового диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать однопозиционный метод, использующий для определения координат ИРИ множество объектов на трассе РРВ, и оценить его эффективность;

-разработать метод выделения отраженных сигналов и определения местоположения соответствующих им реальных отражателей по экспериментальным данным;

-провести оценку границ области, существенной для формирования отраженных сигналов в точке приема, с учетом направленных свойств антенн ИРИ и приемного пункта, а также экспериментальную оценку отражающих свойств объектов, расположенных в этой области, на реальных наземных трассах РРВ;

- проверить разработанный метод оценки координат ИРИ на реальных трассах, оценить точность местоопределения.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием экспериментального материала методами математического анализа и численного моделирования. Состоятельность полученных результатов проверялась по экспериментальным данным.

Научная новизна работы, по мнению автора, состоит в том, что для построения однопозиционных измерителей координат источников радиоизлучения используется совокупность отраженных сигналов, пеленги на которые определяются из одного приемного пункта, равно как и задержки отраженных сигналов относительно прямого. При этом не нужно определять, от каких объектов на трассе отразились принятые сигналы. Возможность таких измерений появилась относительно недавно. Она связана с использованием быстродействующих цифровых измерителей.

Разработана структурная схема устройства, реализующего предложенный однопозиционный метод (подана заявка на изобретение), разработан алгоритм и комплекс программ для ЭВМ, позволяющих вычислить координаты ИРИ по его прямым и отраженным от местности сигналам, принятым на разнесенные в пространстве антенны фазового пеленгатора.

Новым является использование в системе местоопределения современных геоинформационных технологий, в частности электронных карт местности и снимков земной поверхности из космоса, совместно с данными глобальной спутниковой навигационной системы, что избавляет от предварительной наземной разведки районов работы станции РТР.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что разработанный в ней метод определения координат источников импульсного радиоизлучения на основе использования сигналов, отраженных от множества точечных и распределенных объектов на местности, может послужить основой для создания однопозиционной станции радиотехнической разведки, обладающей рядом преимуществ по сравнению с существующими.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В сигналах сканирующей импульсной радиолокационной станции, принятых слабонаправленной антенной станции РТР на пересеченных наземных трассах, практически всегда имеются переотражения, которые можно отделить от прямого сигнала по времени прихода и измерить пеленг на их источники.

2. Не только точечные, но и распределенные объекты, контуры которых четко определены на карте местности, могут использоваться для определения координат ИРИ по измеряемым пеленгам и задержкам.

3. Однопозиционная станция РТР, измеряющая пеленг по каждому принятому сигналу и разность времени прихода между прямым и каждым из множества переотраженных сигналов, позволяет определить дальность до ИРИ по максимуму плотности распределения вероятностей оценок дальности, не определяя, от каких именно объектов из имеющихся на карте местности приняты отраженные сигналы. На карту местности должны быть нанесены все возможные отражатели.

4. Использование контуров распределенных отражающих объектов обеспечивает более высокую точность оценки дальности предлагаемым однопозицион-ным методом, чем использование их площадей, равномерно заполненных точечными отражателями.

Достоверность. Выводы автора относительно возможности реализации од-нопозиционного метода местоопределения и достижимой точности основаны как на результатах моделирования, так и на реальных радиофизических данных, полученных по излучению типовой РЛС сантиметрового диапазона. Эксперименты проводились в период 1996-2010 гг. в разное время года и суток в различных метеоусловиях. Это делает полученные в диссертации результаты достоверными.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на XXIII всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Йошкар-Ола, 2011), в сборнике «Доклады ТУ СУР» (г. Томск, 2010), на VI международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (г. Томск, 2010), XVI и XV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2010, 2009), в заявке на изобретение № 2010140174 (Роспатент, 2010).

Внедрение результатов работы. Разработанный метод использования отражений радиоволн от множества элементов рельефа и местных предметов для определения местоположения источников радиоизлучения, позволяющий производить уточнение координат наземных источников с борта космического аппарата, а также метод моноимпульсного определения двумерного пеленга трехлучевым амплитудным пеленгатором использовались при выполнении СЧ ОКР по договору с ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика Решетнева (г. Красноярск).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 работ, из них 1 статья в рецензируемом журнале, 11 - в сборниках докладов всероссийских и региональных конференций, 1 заявка на изобретение.

Личный вклад. Автор диссертации является соавтором заявки на изобретение, послужившей основой диссертации. Автор участвовал в проведении радиофизических экспериментов в области распространения сантиметровых радиоволн на пересеченных наземных трассах и обработке их результатов. Им лично разработан программный комплекс, позволяющий провести моделирование и проверить осуществимость метода в реальных условиях работы на основании данных радиофизических экспериментов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 171 странице, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографического списка из 72 наименований, иллюстрирована 89 рисунками, 7 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Методы определения координат ИРИ в системах РТР» посвящена анализу литературных данных о методах определения координат, применяющихся в наземных пассивных системах РТР, и содержит характеристики некоторых из них. Проведен обзор существующих однопозиционных методов определения координат ИРИ, разработанных для применения в станциях РТР.

Обзор научно-технической литературы показал, что системы наземной РТР являются многопозиционными, состоящими минимум из двух пространственно разнесенных (от 10 до 30 км) приемных пунктов, соединенных между собой линией связи. Такая структура делает их уязвимыми для средств РТР противника, а выход из строя одного из пунктов системы приводит к прекращению ее работы. Однопозиционные методы определения координат лишены указанных недостатков. В них используется прямой сигнал ИРИ и сигналы, отраженные от элементов рельефа и местных предметов, положение которых известно. В результате анализа установлено, что однопозиционные методы не получили распространения из-за требований, предъявляемых к постоянству частоты сканирования антенной системы ИРИ и периода излучаемых им импульсных сигналов. Однако основным препятствием для их использования является необходимость точного определения координат объекта, от которого отразился сигнал ИРИ, что представляет сложную задачу, особенно в условиях пересеченной местности.

Учитывая недостатки существующих однопозиционных методов, предложен подход к решению задачи определения координат ИРИ однопозиционной системой путем использования совокупности объектов, являющихся потенциальными отражателями сигналов ИРИ, и структурная схема станции РТР для его реализации (рис. 1). В приведенной схеме представлено минимальное количество приемных антенн - две, однако их число может быть произвольно увеличено для достижения требуемой точности оценки пеленга на ИРИ.

Во второй главе рассматриваются особенности распространения радиоволн на приземных трассах и отражательная способность неровной земной поверх-

ности. Однопозиционная система РТР предполагает прием сигналов, отраженных от неровностей рельефа и местных предметов. Чтобы сформулировать требования к энергетическим характеристикам приемной аппаратуры радиотехнических систем, работающих по сигналам, отраженным от местных предметов, нужно оценить уровень отраженного сигнала в точке приема. Для этого необходимо знать рассеивающие свойства объектов, которые в радиолокации определяют понятием эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) радиолокационной цели аэ.

Радиолокационная система, в которой передающее и приемное устройства помещены в разные точки пространства, классифицируется как бистатическая, а ЭПР объекта в такой системе зависит от бистатического угла наблюдения Р (см. рис. 3). Рассматриваемая однопозиционная система РТР является примером бистатической системы, в которой разведуемый ИРИ облучает отражатель. Ее работоспособность напрямую зависит от способности станции РТР принять отраженный сигнал. Поэтому бистатическая ЭПР (БЭПР) отражающих объектов сгБ(Р) является одной из важнейших характеристик, которую необходимо учитывать при разработке разнесенной радиотехнической системы. Проведенный обзор литературы показал, что зависимость стБ(р) можно условно разделить на

три характерные области: псевдомоностатическую ф и 0-5°) с минимальным значением сгБ(Р); бистатическую (Р я 5-140°), в которой <тБ(Р) слабо изменяется; область прямого рассеяния (р «140-180°), где зависимость аБ(Р) резко возрастает. Однако имеющиеся литературные данные содержат информацию о характеристиках БЭПР элементов рельефа местности преимущественно в вертикальной плоскости, когда приемник и передатчик подняты над исследуемой поверхностью.

С целью описания подстилающей поверхности, объекты которой могут влиять на принимаемый сигнал, используется понятие зоны видимости для приемного устройства. Зона видимости — область пространства, в пределах которой мощность сигнала ИРИ, отраженного от объекта на местности, достаточна для его обнаружения в приемном пункте.

Рис. 1. Структурная схема однопозиционной станции РТР

Получены соотношения и выполнены расчеты зон видимости с учетом диаграмм направленности и ориентации антенн приемного и передающего пунктов. Показано, что с учетом этих факторов зоны видимости существенно отличаются от известных овалов Кассини. Если станция РТР имеет неподвижную направленную антенную систему, а ИРИ имеет сканирующую антенну, размер области, в которой могут находиться отражающие объекты с ЭПР, достаточной для приема отраженных сигналов станцией РТР, в значительной степени зависит от вида и ширины диаграммы направленности приемной антенны. Если антенна приемного пункта направлена на ИРИ, наибольшее количество отраженных сигналов будет регистрироваться от объектов, находящихся в районе расположения ИРИ. Когда антенна приемного пункта не направлена на ИРИ, возникают две области возможного формирования отраженных сигналов - вблизи ИРИ и в районе, на который направлена антенна приемного пункта. Иллюстрация этого случая приведена на рис. 2, на котором изображены границы двух зон видимости при фиксированном значении БЭПР для двух вариантов: 1) антенны приемного пункта и ИРИ направлены на отражающий объект (классический овал Кассини); 2) антенна ИРИ направлена на отражатель, а приемная отвернута в сторону. Проведенное моделирование показало, что при параметрах

аппаратуры ИРИ и приемного пункта, соответствующих имеющемуся экспериментальному комплексу, на трассах протяженностью 20 км станция РТР может обнаружить сигналы, отразившиеся от объектов с ЭПР менее 10 м2, если они расположены не более чем в 2 км от ИРИ.

Объекты, расположенные в стороне от линии «ИРИ - станция РТР», должны обладать ЭПР в несколько сотен квадратных метров, чтобы отраженные от них сигналы могли быть обнаружены станцией РТР.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям возможностей реализации однопозиционной станции РТР, работающей в условиях пересеченной местности. Исследования проводились на пяти трассах РРВ протяженностью от 13 до 17 км. Схема эксперимента изображена на рис. 3, где передатчик обозначен Тх, а приемник - .

Приведено описание измерительного комплекса, который включает в себя мобильный передающий пункт трехсантиметрового диапазона и стационарный приемно-измерительный пункт. Антенная система приемного пункта состоит из

Рис. 2. Границы зон видимости отражающих объектов при разных положениях антенны приемного пункта

восьми прямоугольных рупоров ортогональных поляризаций, образующих два двухбазовых фазовых пеленгатора, расположенных один над другим.

Комплекс обеспечивает цифровую регистрацию в приемном пункте квадратурных составляющих сигналов, по которым восстанавливаются их амплитуды и разности фаз на выходах пространственно разнесенных антенн. Перевод сигналов в цифровую форму осуществляется с шагом по времени 11 не.

По данным измерений рассчитывается пеленг на источник излучения (переизлучения) и регистрируется время приема сигналов в локальной шкале времени по моменту пересечения ими порогового уровня. Укрупненная схема одного из восьми приемных каналов приведена на рис. 4.

Рис. 3. Схема проведения экспериментальных исследований на реальных трассах РРВ

Приемник

Квадратурный демодулятор

АЦП ЭВМ

Рис. 4. Укрупненная структурная схема одного из восьми приемных каналов

Обработка записей сигналов, полученных на исследуемых трассах, показала,

что на один излученный импульс ИРИ в среднем приходится от двух до четырех отраженных сигналов, разрешаемых друг относительно друга по времени. Пример зарегистрированной реализации изображен на рис. 5. На нем показан характерный случай, когда за прямым сигналом регистрируется несколько отраженных.

В однопозиционной станции РТР измеряемые параметры сигнала - пеленг и разность времени распространения прямого и отраженного сигналов (задержка), должны соответствовать конкретному отражателю. Это означает, что однопозиционный метод место-определения ИРИ реализуем в условиях однократного рассеяния.

Ю

Время, мкс

Рис. 5. Пример зарегистрированной реализации прямого и отраженного сигналов

Автором разработана методика определения координат отражающих объектов двухпозиционной системой по измеренным пеленгам и задержкам отраженных сигналов относительно прямого.

Полученные координаты отражателей накладывались на спутниковый снимок района проведения эксперимента. На рис. 6,а показана часть снимка местности в районе расположения передатчика с лесными массивами (темные протяженные объекты), на который наложены координаты отражателей (светлые окружности). Тот же снимок без наложения координат отражателей показан на рис. 6,6).

■ 1Ó.S -10.6 -10.4 -10.2 -10 -9.8 -10.8 -10S -10.4 -10.2 -10 -9.8

X, км X, км

а б

Рис. 6. Снимок местности района расположения передатчика

с найденными координатами отражающих объектов: а — с наложением координат объектов; 6 - без наложения

Рассчитанные координаты отражающих объектов совпадают с действительными с погрешностью не более 10-20 м. Таким образом, на исследуемых трассах РРВ преобладает механизм однократного рассеяния радиоволн от местных предметов.

Автором разработана методика определения бистатической ЭПР аБ(Р) элементов рельефа местности, с помощью которой получены оценки сгБ(Р) на исследуемых трассах РРВ. Зависимости сБ(р), построенные после обработки экспериментальных данных с разных трасс, имеют схожий характер и диапазон значений.

Оценки стБ(Р) на одной из исследуемых трасс РРВ представлены на рис. 7. На этом рисунке объектам, лежащим справа от линии «ИРИ — приемный пункт», присваивались отрицательные значения углов Р, что позволило показать отражающие свойства объектов по обеим сторонам трассы.

ю4

г

сС

С з

ГС 10

-150 -100 -50 0 50 100 150

Угол рассеяния, град

Рис. 7. Результаты оценки бистатической ЭПР отражающих объектов на одной из исследуемых трасс

При |Э|<5 , что соответствует псевдомоностатическому случаю, величина

БЭПР лежит в интервале 1-20 м2. Увеличение угла рассеяния |(3| приводит к

резкому возрастанию БЭПР до уровня 1000-10000 м2, что связано с переходом в область прямого рассеяния, характерную для бистатической ЭПР радиолокационных целей.

В четвертой главе описывается предлагаемая методика определения дальности до ИРИ однопозиционной станцией РТР с использованием совокупности отражений, когда нельзя точно определить, какие именно объекты на карте являются действительными отражателями. Каждому отраженному сигналу ИРИ соответствует свое значение пеленга ф и задержки т относительно прямого сигнала. При известных координатах отражающего объекта и задержке т дальность Я до ИРИ можно рассчитать по формуле Я = 2ЛАг- Аг2 /2х х(Дг-й?(1-со8ф)), где Аг = сх, с - скорость распространения радиоволн. Определив дальность, координаты ИРИ можно найти как хИРИ = Л соя (9), Уит = Лет (8). Пеленг на ИРИ 9 измеряется в приемном пункте, и для определения координат ИРИ нужно найти только дальность Я. Поэтому рассматривался алгоритм определения дальности как единственной неизвестной величины. При наличии на карте большого количества объектов любому отраженному сигналу можно сопоставить множество объектов, которые могут отразить сигнал ИРИ, - потенциальных отражателей.

Потенциальные отражатели находятся в угловом секторе (рис. 8), центр которого расположен на линии измеренного пеленга ф , а его угловой раскрыв

с вероятностью, близкой к 1, равен Дф = 6-иф, где аф- среднее квадратическое

отклонение (СКО) оценки пеленга аппаратурой станции РТР, определяемое погрешностью измерения пеленга на отражающий объект. В таком случае одному отраженному сигналу соответствует множество оценок дальности до ИРИ Я,

11

Трасса №4

Действительный отражатель 5

У

Протяженный объект

Объекты, которые могут отразить сигнал ИРИ

Ф- Потенциальные

X отражатели ,,

* Приемный пункт

Рис. 8. Геометрические соотношения, использованные при разработке однопозиционного метода

среди которых имеется ее истинное значение. При наличии нескольких отраженных сигналов существует набор множеств, в каждом из которых присутствует истинное значение Я.

На основе численного моделирования показано, что если протяженный объект представлен в виде контура, заполненного точечными объектами, находящимися в узлах сетки, среди которых присутствуют действительные отражатели, то дальность до ИРИ можно найти по максимуму ее эмпирической плотности распределения вероятностей, полученной по совокупности потенциальных отражателей.

Рассмотрим методику оценки дальности до ИРИ. Обозначим координаты приемного пункта как хк, Координаты местных предметов на рассматриваемом участке местности, занесенные в базу данных, обозначим как набор из векторов-строк х = [х],х2,...,хд,) и у = (у1,Уг>--->Уы) > гДе количество объектов на карте. Теперь найдем вектор а, содержащий значения углов от приемного пункта на каждый местный предмет, занесенный на карту. Вектор « содержит ТУ элементов.

1. В приемном пункте регистрируется прямой сигнал ИРИ и п отраженных сигналов. Для г-го отраженного сигнала (7=1,...,и) производятся измерения пеленга на отражающий объект ср; и разности времени распространения прямого и отраженного сигналов т;.

2. Для каждого измеренного значения ср,- в векторе а находятся номера элементов ак (формально - столбцов, так как вектор состоит из одной строки), значения которых лежат в секторе углов, задаваемом ср,- и величиной углового раскрыва Дф : (ср,- - А / 2) < ак < (ср,- + Лф / 2) (см. рис. 8). Номера элементов к

заносятся в вектор к' = {к[,к'2,...,к1т |, где т - число объектов на карте, лежащих на измеренном направлении срг + Дф / 2 , являющихся потенциальными отражателями принятого сигнала. Величина аф определяется погрешностью измерения пеленга аппаратурой приемного пункта на отражающий объект.

3. Вычисляется вектор оценок дальности Я' = для г-го отраженного сигнала, элементы которого определяются по формуле

Я' 2(1 ~Аг'2

и 2(^-^(1-0089,))'

где Аг{ = ст,-, с]т = +{у{к1т)-ук}~ . Выражение вида у{^} озна-

чает выборку из вектора ум элемента с номером к'т.

4. Повторяя пункты 3—4 для всех отраженных сигналов, получаем набор из п векторов Я'. При отсутствии погрешности измерений параметров сигнала и координат отражающих объектов итоговую оценку дальности до ИРИ К можно было бы найти по максимуму плотности распределения всех полученных оценок, которую можно представить как точку пересечения всех множеств, образованных значениями векторов Я1: К = Я1 пЯ2 п...пЯ', где п - операция пересечения. Это эквивалентно нахождению распределения оценок дальности, содержащихся во всех векторах Я', максимум которого и будет истинным значением дальности до ИРИ.

Вследствие влияния ошибок разного рода на результаты измерений все векторы не пересекутся в точке истинной дальности. Поэтому оценка дальности становится случайной величиной. Статистическую вероятность того, что все

векторы Я' пересекутся в точке Я , можно оценить как Р(Я) = V / /, где V - количество векторов Я', которые пересеклись в точке Я; I- количество элементов во всех векторах Я'.

При нахождении искомого распределения и его максимума строится гистограмма оценок дальности, которая в свою очередь является оценкой плотности распределения дальности до ИРИ. Для построения гистограммы составляем из векторов Яг один вектор Б, содержащий все полученные оценки дальности до ИРИ: В = (Я1,Я2, ...,Я').

Оценку плотности распределения оценок дальности находим с помощью гистограммы £(Дй): Б (АН) = Ыз^Б.ЛЛ], где ДЛ- интервал гистограммы;

Ыб^...] - формальный оператор гистограммы. Оценка дальности определяется

как максимум функции £(Д/?): Я = тах[5(ДЛ)].

При проверке работоспособности предложенной методики было проведено моделирование для нескольких случаев - когда на трассе РРВ присутствуют от одного до трех протяженных объектов. Один из них показан на рис. 9, когда на трассе РРВ присутствуют три протяженных объекта, разнесенных друг относительно друга. На том же рисунке показана гистограмма плотности распределе-

ния оценок дальности, вертикальной чертой отмечено истинное значение даль ности и величина ошибки ее определения по максимуму гистограммы.

Расстояние между ИРИ и при1 емником составляло Я =5 км. Диа| метр объектов № 1-3 равен 3 км 500 м и 2 км соответственно.

Результаты проверки показали что в рамках принятой модели предложенная методика позволяе^ определять дальность до ИРИ, ко

гда на трассе присутствует один или несколько протяженных объек тов. Однако эти результаты явля-1, ются частными, так как полученк при фиксированном распределени!-точечных отражателей в протяжен! ных объектах и иллюстрирую^ лишь возможность получения оценки дальности Я .

Ошибка определения дальности Яегг зависит от распределения точечных от ражателей и их числа относительно общего количества отражающих объектов1 входящих в протяженный объект. Для оценки точности предлагаемого метод были рассчитаны статистические характеристики ошибок определения дальности при множестве вариантов расположения действительных точечных отража-1 телей в пределах протяженного объекта, а также при разном их количестве. Ко^ личество действительных отражателей задавалось в виде процента от общего количества точечных объектов, образующих один протяженный объект:! ц = (л/Л0x100%, где п - количество действительно отражающих объектов; И— число всех точечных объектов.

При статистическом моделировании было рассмотрено влияние следующих! факторов на ошибку определения дальности Ят до ИРИ:

1) цены деления сетки А, заполняющей контуры протяженного объекта точечными отражателями;

2) относительного количества отражателей ц;

3) СКО ошибки определения пеленга на действительный отражатель стф и

СКО ошибки определения разности времени распространения прямого и отраженного сигналов от.

Результаты моделирования показали, что уменьшение шага сетки заполнения протяженного объекта А уменьшает ошибку определения дальности Яеп . Например, уменьшение шага сетки в 4 раза ведет к уменьшению относительной

ошибки / Я в среднем в 3,4 раза, где Я^п =\[я1п + ; ЛС1Т - математиче-1

I ^

I

I о.б

I

I 0.2

д...

Ошибка»-» м

\

Приемник

"0 10 20 30 40

Оценка расстояния ао ПРИ, км

Рис. 9. Нормированная плотность

распределения оценок дальности до

ИРИ, когда на трассе присутствуют три

протяженных объекта (моделирование)

ское ожидание ошибки определения дальности Ren; аЛегт - ее СКО. Относительная ошибка /R (при СКО погрешности измерения пеленга <т =0,1° и задержки сгт = 60 не) варьируется от 8 % (Д =20 м) до 2,3 % (Д = 5 м). В рассмотренных случаях Ren слабо зависит от числа протяженных объектов, участвующих в оценке, а зависит только от шага сетки Д и относительного количества действительных отражателей ц. При ц=1 % и наличии одного протяженного

^объекта относительная ошибки / R равна 4,5 %, а при двух или трех — 3,3 %.

Для проверки предложенной методики в реальных условиях необходимо 'иметь данные о всех объектах, находящихся на исследуемых трассах РРВ, которые могут отразить сигналы ИРИ. При описании отражающих объектов на трассах РРВ использовались два подхода:

1) потенциальными отражателями являются все объекты внутри протяжен- ного объекта, которые можно представить как точечные отражатели;

2) потенциальными отражателями являются только границы протяженных объектов.

Для составления карты отражателей использовались спутниковые снимки района проведения эксперимента, полученные с помощью Интернет-сервиса GoogleMaps. Снимки были обработаны средствами графического редактора CorelDraw, а затем в пакете MatLab. В результате были получены координаты всех объектов, которые могли отразить сигналы ИРИ. Наиболее распространенным типом объектов являются протяженные лесные массивы.

1 К сожалению, при выбранном способе обработки двумерных карт выделяются и некоторые объекты, не отражающие сигналы в горизонтальной плоскости, например дороги.

На рис. 10 показана часть спутникового снимка одной из исследуемых трасс РРВ после выделения на нем объектов, способных отразить сигналы ИРИ, и их границ.

Рис. 10. Фрагменты обработанных спутниковых снимков местности района проведения эксперимента: а - результат выделения всех протяженных объектов (лесные массивы); б — результат выделения границ протяженных объектов

Ось трассы

На основе обработанных снимков сформированы карты расположения отра жающих объектов. Часть такой карты с обозначенными позициями передатчик^ и осями трасс РРВ показана на рис. 11.

Все операции, связанные с обработкой сигналов, карт местности и получение ем оценок дальности до ИРИ, производились с помощью программного ком плекса, разработанного автором в пакете МаЛаЬ.

Программный комплекс позволяет использовать любые записи сигналов; имеющиеся в базе экспериментальных данных НИИ РТС, обработанные снимку

местности, а также выполнять вей действия по обнаружению прямых р| отраженных сигналов, определенш: их пеленгов, задержек и расчету ко ' ординат ИРИ полностью в автомата-1 ческом режиме. I

Для каждой исследуемой трассы РРВ (всего исследовалось пять трасс) была проведена обработка записей сигналов передатчика, извлеченных' из цифровой базы данных. С помо-1 щью порогового метода выделялись! прямой и отраженные сигналы. Затем между ними вычислялись разно-1

сти моментов обнаружения г< и зна-!

ошибки1

Передатчик

Рис. 11. Часть сформированной карты отражающих объектов, находящихся на исследуемых трассах РРВ

чения пеленга ср;. СКО измерения пеленга аф аппаратурой1

экспериментального комплекса составляла 0,10, а момента обнаружения сигнала стх - 60 не. Результаты обработки были разделены на два случая:

случай № 1 - потенциальными отражателями являются все темные точки на карте (как на рис. 10,я);

случай № 2 — потенциальными отражателями являются границы протяженных объектов (как на рис. 10,6).

Эмпирические плотности распределения вероятностей оценок дальности ¿■(М) для случая № 1 представлены на рис. 12, где вертикальной чертой отмечена действительная дальность до ИРИ.

Из анализа зависимостей, приведенных на рис. 12, можно сделать следующие выводы:

1) предложенная методика определения дальности до ИРИ оказалась работоспособной на реальных трассах РРВ;

2) распределение оценок дальности до ИРИ 5(Д/?) является функцией с несколькими максимумами;

І

3) для случая № 1 на трассах № 1-4 зависимость $(АЯ) имеет несколько Максимумов, некоторые из них имеют близкие значения и расположены рядом; I 4) использование представления трассы, в котором потенциальными отражателями являются все точки на трассе, может привести к неоднозначной оценке дальности, что хорошо видно на рис. 12,г);

5) на трассе № 5 методика оказалась неработоспособной - главные макси-(мумы функции $(АЯ) находятся далеко от истинного значения дальности.

0.5

Кеп=601 лі

VI

1

10 и 20

Оценка расстояния до ПРИ, км а

£ 0.5

10 15 20 Оценка расстояния до ИИІ. км

10 15 20 Оценка расстояния ло ИРІІ, км б

10 15 20 Оценка расстояния до ПРИ, юг

г

: |}егг=-4632 т

( "Л ^ДНА

1 і

10 12 14 16 18 Опенка расстояния до ИРИ, км д

Рис. 12. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятностей оценок дальности 5(АК), полученные по экспериментальным данным (случай № 1 - потенциальными отражателями являются все точки на карте) для трасс № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г), № 5 (д)

Исследования показали, что наличие нескольких максимумов в распределении 5(ДЙ) (см. рис. 12) является следствием того, что большинство отраженных сигналов, зарегистрированных в приемном пункте, отразилось от объектов, находящихся за передатчиком. Из-за большой протяженности исследуемых трасс и ограниченной длительности окна регистрации сигналов аппаратурой приемного

пункта регистрировались сигналы, которые отражались от части протяженного лесного массива, расположенного за передатчиком.

Основная часть действительных отражателей была сосредоточена на кромка лесных массивов в небольшой области за передатчиком. Действительные отра жатели находились у границы этого протяженного объекта, поэтому при отбор ' потенциальных отражателей по измеренным пеленгам были включены и точки1 находящиеся внутри протяженного объекта, хотя среди них не было ни одного действительного отражателя. Оценки дальности от таких потенциальных отра^

жателей привели к смещению распределение $(АЯ) и образовали ложные максимумы.

Проведенное численное моделировани-подтвердило эти выводы. Использовавшаяс в нем геометрическая модель показана не' рис. 13. Сначала рассматривался случай, когд: отражатели распределены по краю протяжен ного объекта, внутри которого нет отражате; лей, то есть присутствует только объект № 1 Затем в модель был введен объект № 2, содер жащий отражатели и находящийся в стороне от1 протяженного объекта.

Результаты моделирования определения дальности до ИРИ при наличии одного и двух протяженных объектов, содержащих действий тельные отражатели, приведены на рис. 14.

/г^Ш'И

, Трасса ^№2) Г РРВ

Рис. 13. Моделирование в случае, когда большая часть отражателей находится на границе протяженного объекта за ИРИ

Ошибк^-З"; «

.17 17.5 Оцйіікя }>аг£гоянкя ПРИ, км

-

1...........і і Г ....*...................^

О........І у

1 ! 1 |_________ V

4 1$ ; і і

Отітр&єктт НИ!, км

а б

Рис. 14. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятностей оценок дальности при наличии одного (а) и двух (б) протяженных объектов (см. рис. 13)

Из этого рисунка видно, что, когда действительные отражатели расположены только у края протяженного объекта, распределение оценок дальности 5(ЛД) не имеет выраженного максимума (рис. 14,а). Когда имеется еще один протяженный объект, в пределах которого находятся отражатели, в распределении

Б(А!{) появляется четко выраженный максимум и дальность до ИРИ определяйся с высокой точностью (рис. 14,6). Рассмотренный пример показывает, что (прием сигналов ИРИ, отраженных от пространственно разнесенных объектов, позволяет однозначно и точно определить дальность.

По данным радиофизического эксперимента была проведена оценка дальности до ИРИ для случая № 2, когда потенциальными отражателями приняты границы протяженных объектов (см. рис. 10,6). Результаты оценки изображены на рис. 15.

I

Оценка расстояния до ИРИ. км д

Рис. 15. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятностей

оценок дальности 5(АЯ), полученные по экспериментальным данным (случай № 2 - потенциальными отражателями являются границы протяженных объектов) для трасс № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г), № 5 (Э)

Из зависимостей, представленных на рис. 15, можно сделать следующие выводы:

1) использование в предложенной методике границ протяженных объектов позволяет определять дальность до ИРИ;

Оценка расстояши до ИРИ. км а

Оценка расстояния до ИРИ. км б

10 15 20

Оценка расстояния до ИРИ. км

Оценка расстояния до ПРИ. км в

2) при использовании границ лесных массивов главный максимум распреде ления оценок дальности превышает остальные на 45-50 %;

3) главные максимумы становятся более узкими, чем при использовани всей площади объектов, что положительно сказывается на точности определен!; дальности;

4) на трассе РРВ № 5 методика оказалась неработоспособной - главны максимумы функции находятся в стороне от истинного значения дальности.

Результаты обработки экспериментальных данных по определению дально сти до ИРИ на исследуемых трассах, сведены в таблицу. Из этих данных следу ет, что относительная погрешность определения дальности до ИРИ Ят / Я ле жит в пределах от 1,6 до 3,6 %, если считать, что отражатели распределены п всей площади объекта, и от 1,2 до 1,8 %, если использовать контуры протяжен ных объектов. На трассе № 5 не удалось получить правильную оценку дальности

Результаты оценки дальности до ИРИ на реальных трассах РРВ

Использование всей Использование только

Трасса Я, м площади протяженных объектов контуров протяженных объектов

ят/я,%

№ 1 16689 601 3,6 221 1,3

№2 16838 311 1,8 231 1,4

№3 16857 353 2Д 313 1,8

№4 16985 285 1,6 205 1,2

№5 13342 - - - -

Наименьшее значение ошибок имеет место, когда в качестве потенциальны отражающих объектов используются границы лесных массивов. Очевидно, чт такая модель представления потенциальных отражающих объектов являете предпочтительной.

В целом результаты обработки данных радиофизического эксперимента по казали, что методика определения координат ИРИ, использующая совокупност отраженных сигналов, работоспособна в реальных условиях местности.

«Сбой», полученный на трассе № 5, связан как с ограниченными возможно стями использованной в эксперименте аппаратуры, предназначенной для исследования распространения радиоволн, так и с особенностями представления местности на карте. Эксперимент показал, что предложенная процедур однопозиционного определения координат ИРИ требует доработки. В процессе доработки из используемых карт следует исключить объекты, которые не могут быть отражателями радиоволн в горизонтальной плоскости, в частности дороги и реки, что возможно при представлении местности в трехмерном формате.

Кроме того, должны быть исключены отражающие объекты, имеющие плохой геометрический фактор (или предложен способ его учета). Технические возможности подобного усложнения обработки имеются.

По мнению автора, в диссертации предложен метод однопозиционного опре-(еления координат источников радиоизлучения по совокупности отражений ра-(ИОВОЛН от местности и местных предметов, который с учетом последующей (оработки может стать основой создания однопозиционных станций радиотех-шческой разведки. Точность местоопределения напрямую зависит от качества гспользуемых карт местности. Полученная экспериментально точность измере-1ия дальности 1—2 % сравнима с той, которую обеспечивают традиционные ме-оды разнесенного приема.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ворошилин Е.П. Использование двухэтапного алгоритма определения ко->рдинат в задаче повышения точности пассивной разностно-далыюмерной системы местоопределения : доклад, тезисы доклада / Е.П. Ворошилин, LA. Гельцер // Электронные средства и системы управления. Опыт инноваци-iHHoro развития. - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 1. - С. 42-45.

2. Ворошилин Е.П. Исследование статистических характеристик оценок ко-¡рдинат источника импульсного сигнала при объединении сигналов в многока-[альной системе / Е.П. Ворошилин, A.A. Гельцер, В.П. Ильченко // Труды Пя-ой всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию

Ульяновского государственного технического университета. - Ульяновск, 2007.-С. 142-144.

3. Гельцер A.A. Экспериментальная оценка двухпозиционной ЭПР границы зимнего лиственного леса /A.A. Гельцер, H.A. Кузнецова// Труды16-й международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». -Воронеж, 2010.-Т.З,-С. 1813-1816.

4. Гельцер A.A. Экспериментальная оценка ослабления радиоволн зимним лиственным лесом/A.A. Гельцер, H.A. Кузнецова//Доклады ТУ СУР. — 2010. — №2(22).- Ч. 2.-С. 26-28.

5. Гельцер A.A. Экспериментальная оценка ослабления радиоволн зимним лиственным лесом / A.A. Гельцер, H.A. Кузнецова // Материалы докладов 6-й международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления». - Томск, 2010. - С. 94-96.

6. Гельцер A.A. Экспериментальная оценка сезонных особенностей ослабления радиоволн лиственным лесом/A.A. Гельцер, H.A. Кузнецова//Труды 23-й всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн».-Йошкар-Ола, 2011.-Т. З.-С. 175-178.

7. Гельцер A.A. Модель канала распространения радиоволн с однократным рассеянием в диапазоне УКВ / A.A. Гельцер, Е.П. Ворошилин, В.П. Ильченко // Труды Пятой всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Ульяновского государственного технического университета. -Ульяновск, 2007. - С. 144-146.

8. Гельцер A.A. Способ измерения дальности до цели и устройство для его реализации / A.A. Гельцер, В.П. Денисов, A.A. Мещеряков. - Заявка на изобретение № 2010140174. - Роспатент, 2010.

9. Денисов В.П. Определение местоположения объектов, рассеивающих ра диоволны на трассе распространения, по сигналам, принятым пассивной систе мой радиомониторинга / В.П. Денисов, A.A. Гельцер, М.В. Крутиков // Трудь 15-й международной научно-технической конференции «Радиолокация, навига ция, связь». - Воронеж, 2009 . -Т. 3. - С. 1833-1841.

10. Денисов В.П. Оценка двухпозиционной ЭПР отражающих объектов на на земных трассах распространения радиоволн / В.П. Денисов, A.A. Гельце // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Научная сесси-ТУСУР-2009». - Томск, 2009. -Т. 1.- С. 21-24.

11. Денисов В.П. Определение координат наземных источников радиоизлу чения одним космическим аппаратом с использованием данных спутниково фотосъемки / В.П. Денисов, A.A. Гельцер, М.В. Крутиков // Материалы всерос сийской научно-технической конференции «Современные проблемы науки, тех ники и образования». - Муром, 2009. - С. 34-35.

12. Денисов В.П. Оценка точности определения временного запаздыванв сигнала при многоканальной обработке по экспериментальным данным В.П. Денисов, Е.П. Ворошилин, A.A. Гельцер // Обмен опытом в области созда ния сверхширокополосных радиоэлектронных систем: сборник докладов науч но-технической конференции. - Омск : Вариант-Омск, 2006. - С. 38-45.

13. Ильченко В.П. Результаты обработки экспериментальных данных, полу ченных с помощью многоканальной пассивной радиолокационной стан ции / В.П. Ильченко, Е.П. Ворошилин, A.A. Гельцер // Труды Пятой всероссий ской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Ульяновског государственного технического университета. — Ульяновск, 2007. — С. 148—150.

Тираж 100. Заказ № 110. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.:53-30-18.