RU2285937C2 - Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source - Google Patents
Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2285937C2 RU2285937C2 RU2004111584/09A RU2004111584A RU2285937C2 RU 2285937 C2 RU2285937 C2 RU 2285937C2 RU 2004111584/09 A RU2004111584/09 A RU 2004111584/09A RU 2004111584 A RU2004111584 A RU 2004111584A RU 2285937 C2 RU2285937 C2 RU 2285937C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- coordinates
- points
- radio
- determining
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах пассивной радиолокации.The invention relates to radio engineering and can be used in passive radar systems.
Известен способ обнаружения и определения координат источника радиоизлучения, основанный на приеме сигнала передатчика приемниками, установленными на известных стационарных пунктах, передаче с приемников на пункт обработки данных о факте обнаружения сигналов, где по координатам приемников, принимающих сигналы, определяют координаты объектов. (Патент Франции №2630565, кл. G 08 В 7/06, 1988 г.).A known method for detecting and determining the coordinates of a source of radio emission, based on the reception of a transmitter signal by receivers installed at known stationary points, transmission from receivers to a data processing point about the fact of signal detection, where the coordinates of the objects are determined by the coordinates of the receivers receiving signals. (French Patent No. 2630565, CL G 08 B 7/06, 1988).
Недостатками способа является низкая вероятность обнаружения и точность определения координат объектов. Соотношение вероятности обнаружения и точности определения координат носит противоречивый характер. Для уменьшения погрешности определения координат необходимо увеличивать порог обнаружения до уровня, обеспечивающего регистрацию сигнала источника только в одном пункте приема. В этом случае падает вероятность обнаружения в области между пунктами приема. Снижение порогового уровня приводит к срабатыванию обнаружителей одновременно нескольких пунктов приема, а погрешность определения координат достигает величины удаления объекта от геометрического центра, образованного усреднением координат приемных пунктов.The disadvantages of the method is the low probability of detection and the accuracy of determining the coordinates of objects. The ratio of the probability of detection and the accuracy of determining coordinates is controversial. To reduce the error in determining the coordinates, it is necessary to increase the detection threshold to a level that ensures registration of the source signal at only one receiving point. In this case, the probability of detection in the area between points of reception decreases. A decrease in the threshold level leads to the operation of detectors at the same time at several points of reception, and the error in determining the coordinates reaches the distance of the object from the geometric center formed by averaging the coordinates of the receiving points.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ обнаружения и определения координат источника радиоизлучения, включающий прием радиоизлучения источника не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема с последующей передачей принятых радиосигналов на центральный пункт, измерение взаимных задержек между принятыми сигналами и вычисление координат по взаимным задержкам при равенстве нулю их суммы на замкнутом через пункты приема контуре, причем измерение задержек выполняют путем определения положения максимума квадрата модуля комплексных взаимных корреляционных функций каждой пары принятых радиосигналов, а вычисление координат - по положению минимума среднего по совокупности пар пунктов приема квадрата разности измеренных задержек и расчетного взаимного запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из каждой точки пространства в каждую пару пунктов приема. (Патент РФ №2013785, G 01 S 13/00, 1994 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved positive effect is a method for detecting and determining the coordinates of a radio emission source, including receiving radio emission from a source in at least three spatially separated reception points with subsequent transmission of the received radio signals to a central point, measuring the mutual delays between the received signals and calculating coordinates by mutual delays when their sums are equal to zero on a circuit closed through receiving points, and the measurement of The delays are performed by determining the position of the maximum squared module of the complex mutual correlation functions of each pair of received radio signals, and the coordinates are calculated by the position of the minimum average of the set of pairs of points of reception of the square of the difference of the measured delays and the estimated mutual delay of the moments of arrival of electromagnetic waves from each point in space to each pair of points reception. (RF patent No. 20133785, G 01 S 13/00, 1994).
Недостатками способа являются низкая вероятность обнаружения и точность определения координат. Это связано с тем, что в силу различного удаления объектов от пунктов приема, изменений уровней радиосигналов при распространении радиоволн различаются и соответствующие значения отношения сигнал-шум, эти различия в способе не учитываются, что снижает вероятность обнаружения и точность определения координат. Низкое отношение сигнал-шум хотя бы в одном из пунктов приема проводит к аномальным погрешностям измерений и к необнаружению (пропуску) объекта. Для сигналов с периодической модуляцией, например частотной, при произведении частоты модуляции на значение задержки, большем 0,5, взаимные корреляционные функции имеют многопиковый характер, что также приводит к аномальным погрешностям измерения и обнаружения.The disadvantages of the method are the low probability of detection and the accuracy of determining the coordinates. This is due to the fact that due to the different distance of objects from reception points, changes in radio signal levels during propagation of radio waves, the corresponding signal-to-noise ratios also differ, these differences in the method are not taken into account, which reduces the probability of detection and the accuracy of determining coordinates. A low signal-to-noise ratio, at least at one of the receiving points, leads to abnormal measurement errors and to non-detection (skipping) of the object. For signals with periodic modulation, for example, frequency, when the product of the modulation frequency is a delay value greater than 0.5, the mutual correlation functions are multi-peak in nature, which also leads to anomalous measurement and detection errors.
Задачей данного изобретения является повышение вероятности обнаружения и точности определения координат источников радиоизлучения.The objective of the invention is to increase the probability of detection and accuracy of determining the coordinates of radio sources.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном способе обнаружения и определения координат источника радиоизлучения, включающем прием радиоизлучения источника не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема с последующей передачей принятых радиосигналов на центральный пункт, определение квадрата модуля комплексных взаимных корреляционных функций каждой пары принятых радиосигналов и взаимного запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из каждой точки пространства в каждую пару пунктов приема, дополнительно измеряют значения энергии принятых радиосигналов, определяют попарные произведения значений энергии различных радиосигналов, которые усредняют по совокупности пар радиосигналов, а в каждой точке пространства определяют соответствующие запаздываниям моментов прихода электромагнитных волн значения квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций, которые усредняют по совокупности пар радиосигналов, находят отношение усредненных квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций к усредненным попарным произведениям значений энергии радиосигналов, по максимуму которого, путем сравнения с порогом обнаружения, и его положению определяют наличие излучения и координаты источника, причем значение порога обнаружения устанавливают, исходя из допустимого уровня ложной тревоги, времени и количества пунктов приема.The solution to this problem is achieved due to the fact that in the known method for detecting and determining the coordinates of a radio emission source, including receiving radio emission from a source in at least three spatially separated receiving points, followed by transmitting the received radio signals to a central point, determining the square of the module of complex mutual correlation functions of each pair received radio signals and the mutual delay of the moments of arrival of electromagnetic waves from each point in space to each pair point s of reception, additionally measure the energy values of the received radio signals, determine the pairwise products of the energy values of various radio signals, which averaged over the totality of the pairs of radio signals, and at each point in space determine the values of the squares of the modules of complex mutual correlation functions corresponding to the delays in the moments of arrival of electromagnetic waves, which averaged over the totality of pairs of radio signals, find the ratio of the averaged squares of the modules of the complex mutual correlation functions average pairwise products radio energy at which a maximum by comparison with a detection threshold value, and determine its position coordinates and the presence of the radiation source, the detection threshold value is set, based on the acceptable level of false alarm, time and number of receiving points.
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием, во-первых, новых действий над сигналом: измеряют значения энергии принятых радиосигналов, определяют попарные произведения значений энергии, которые усредняют по совокупности пар радиосигналов, определяют в каждой точке пространства соответствующие запаздываниям моментов прихода электромагнитных волн значения квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций, усредняют их по совокупности пар радиосигналов, находят отношение усредненных квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций к усредненным попарным произведениям значений энергии радиосигналов, во-вторых, нового порядка выполнения действии, в-третьих, новых условии осуществления действий: наличие излучения и координаты источника определяют по максимуму и положению отношения результатов усреднения, значение порога обнаружения устанавливают, исходя из допустимого уровня ложной тревоги, времени и количества пунктов приема.A comparative analysis of the claimed solution with the prototype shows that the proposed method differs from the known one by the presence, firstly, of new actions on the signal: the energy values of the received radio signals are measured, the pairwise products of the energy values are determined, which are averaged over the totality of the radio signal pairs, the corresponding to the delays in the moments of arrival of electromagnetic waves, the values of the squares of the modules of the complex mutual correlation functions average them over the aggregate p of radio signals, find the ratio of the averaged squares of the modules of the complex mutual correlation functions to the averaged pairwise products of the energy values of the radio signals, secondly, a new order of action, thirdly, new conditions for the action: the presence of radiation and the coordinates of the source are determined by the maximum and position of the ratio of the results averaging, the detection threshold value is set based on the acceptable level of false alarm, time and number of points of reception.
При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.In the study of other well-known technical solutions in the art, the specified set of features that distinguish the invention from the prototype was not identified.
Результаты статистического синтеза при неопределенности о пространственном положении источника излучения, амплитуде и фазе радиосигналов в пунктах приема, дисперсии шума, показывают, что кроме квадратов модулей взаимных корреляционных функций сигналов (прототип) существенными элементами достаточной статистики при решении задачи обнаружения и определения координат являются значения энергии принятых сигналов. Как в значениях взаимных корреляционных функций, так и в значениях энергии сигналов содержится информация об отношениях сигнал-шум. При оценивании задержки (прототип) эта информация теряется. Преобразование достаточных статистик в решающую статистику согласно изобретению (определение попарных произведений значений энергии с усреднением по совокупности пар радиосигналов, определение в каждой точке пространства соответствующих запаздываниям значений квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций с усреднением по совокупности пар радиосигналов, нахождение отношения результатов усреднения) обеспечивает автоматический учет отношений сигнал-шум в пунктах приема и, как следствие, повышение точности измерений и вероятности обнаружения.The results of statistical synthesis with uncertainty about the spatial position of the radiation source, the amplitude and phase of the radio signals at the points of reception, noise dispersion, show that in addition to the squares of the modules of the mutual correlation functions of the signals (prototype), the essential elements of sufficient statistics when solving the problem of detecting and determining coordinates are the energy values signals. Both the values of the mutual correlation functions and the values of the energy of the signals contain information on the signal-to-noise ratios. When evaluating the delay (prototype), this information is lost. The conversion of sufficient statistics into decisive statistics according to the invention (determination of pairwise products of energy values with averaging over a set of radio signal pairs, determination of the square values of the modules of complex mutual correlation functions with averaging over a set of radio signal pairs at each point in space, finding the ratio of averaging results) provides automatic accounting signal-to-noise ratios at points of reception and, as a result, an increase in accuracy is measured st and the probability of detection.
Физической основой наличия оптимального статистического решения служит функциональная взаимосвязь между сигналами, при которой в окрестности истинных координат стремится к максимуму каждая взаимная корреляционная функция и их преобразованная совокупность (решающая статистика). Представление решающей статистики в виде отношения обеспечивает ее инвариантность к дисперсии шума, что позволяет устанавливать фиксированный для заданной вероятности ложной тревоги порог обнаружения, а объединение в решающей статистике информации о совокупности взаимных корреляционных функций - повысить вероятность правильного обнаружения и точность определения координат источника радиоизлучения.The physical basis for the existence of an optimal statistical solution is the functional relationship between the signals, in which, in the vicinity of the true coordinates, each mutual correlation function and their transformed set (decisive statistics) tend to maximum. The presentation of the decisive statistics in the form of a relation ensures its invariance to the noise variance, which makes it possible to set a detection threshold fixed for a given probability of false alarm, and the combination of the information on the set of mutual correlation functions in the decisive statistics increases the probability of correct detection and the accuracy of determining the coordinates of the radio emission source.
Именно интегральный учет информации о сигналах всех пунктов приема в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения позволяет повысить вероятность обнаружения и точность определения координат источника радиоизлучения.It is the integrated accounting of information about the signals of all receiving points in accordance with the proposed new actions, conditions and the order of their implementation allows to increase the probability of detection and the accuracy of determining the coordinates of the source of radio emission.
На фиг.1 приведена структурная схема системы определения координат, реализующей предложенный способ, на фиг.2 - амплитудный спектр радиосигнала, на фиг.3 - квадрат модуля взаимной корреляционной функции, на фиг.4 - пространственное изображение преобразованного на плоскость координат квадрата модуля взаимной корреляционной функции, на фиг.5 - пространственное изображение решающей статистики, на фиг.6 - взаимное размещение пунктов приема (кружки) и источника радиоизлучения (крестик) в прямоугольной системе координат, на фиг.7 - программа исследовательской модели в системе Mathcad-2000.Figure 1 shows a structural diagram of a coordinate determination system that implements the proposed method, figure 2 - the amplitude spectrum of the radio signal, figure 3 - the square of the module of the mutual correlation function, figure 4 - spatial image converted to the coordinate plane of the square of the coordinate square of the module of the mutual correlation functions, in Fig. 5 is a spatial image of the decisive statistics, in Fig. 6 is the mutual arrangement of the receiving points (circles) and the radio source (cross) in a rectangular coordinate system, in Fig. 7 is a research program vatelskoy models in Mathcad-2000 system.
Система, реализующая предложенный способ, содержит пространственно разнесенные пункты приема 1.1-1.N, каждый из которых включает приемную антенну 2.1 (2.N), подключенную к первому входу цифрового радиоприемного устройства 3.1 (3.N), выходом подключенного к первому входу аппаратуры передачи данных 4.1 (4.N), и центральный пункт 5, содержащий аппаратуру передачи данных 6, подключенный к ее первому выходу входной процессор быстрого преобразования Фурье 7, оперативные запоминающие устройства 8.1-8.2, постоянные запоминающие устройства 9.1-9.2, буферные запоминающие устройства 10.1-10.3, умножители 11.1-11.2, процессор обратного быстрого преобразования Фурье 12, блоки определения квадратов модуля 13.1-13.2, преобразователь функций 14, содержащий постоянное запоминающее устройство 9.2 и оперативное запоминающее устройство 8.2, сумматор 15, накапливающие сумматоры 16.1-16.3, делитель 17, блок определения максимума функции 18 и пороговый элемент 19.A system that implements the proposed method contains spatially separated receiving points 1.1-1.N, each of which includes a receiving antenna 2.1 (2.N) connected to the first input of a digital radio receiving device 3.1 (3.N), an output connected to the first input of the equipment data transmission 4.1 (4.N), and the
Первые выходы аппаратуры передачи данных 4.1 (4.N) каждого из пунктов приема 1.1-1.N связаны линиями связи с входом аппаратуры передачи данных 6 центрального пункта 5. Второй выход аппаратуры передачи данных 6 связан со вторыми входами аппаратуры передачи данных 4.1 (4.N), вторые выходы которых соединены со вторыми входами цифровых радиоприемных устройств 3.1 (3.N). Процессор 7 выходом подключен к первому входу оперативного запоминающего устройства 8.1, ко второму входу которого подключен выход постоянного запоминающего устройства 9.1. Выход оперативного запоминающего устройства 8.1 соединен с входами буферных запоминающих устройств 10.1-10.2. Буферное запоминающее устройство 10.1 выходом соединено с первым входом умножителя 11.1 и через блок 13.1, накапливающий сумматор 16.1 с первым входом умножителя 11.2 и через его выход, накапливающий сумматор 16.3 - с первым входом делителя 17.The first outputs of the data transmission equipment 4.1 (4.N) of each of the receiving points 1.1-1.N are connected by communication lines to the input of the data transmission equipment 6 of the
Буферное запоминающее устройство 10.2 выходом соединено со вторым входом умножителя 11.1 и через блок 13.3, накапливающий сумматор 16.2 со вторым входом умножителя 11.2.The buffer memory 10.2 output is connected to the second input of the multiplier 11.1 and through block 13.3, accumulating the adder 16.2 with the second input of the multiplier 11.2.
Выход умножителя 11.1 через процессор 12, блок определения квадрата модуля 13.2 подключен к первому входу оперативного запоминающего устройства 8.2 преобразователя 14. Постоянное запоминающее устройство 9.2 через второй вход оперативного запоминающего устройства 8.2 подключено к первому входу сумматора 15 и через его выход ко второму входу делителя 17 и входу буферного запоминающего устройства 10.3, выход которого соединен со вторым входом сумматора 15. Выход делителя 17 соединен с входом блока определения максимума функции 18 и через его первый выход с входом порогового элемента 19, выход которого является первым выходом системы. Вторым выходом системы является второй выход блока 18 определения максимума функции.The output of the multiplier 11.1 through the
Цифровые радиоприемные устройства 3.1-3.N настроены на частоту объекта, управляются и синхронизируются по управляющему (второму) входу сигналами, поступающими от аппаратуры передачи данных 6 центрального пункта через вторые выходы аппаратуры передачи данных 4.1-4.N пунктов приема. В вариантном исполнении возможно применение ретрансляции принятых радиосигналов, как это выполнено в способе-прототипе с установкой многоканального (по числу пунктов приема) цифрового радиоприемного устройства на центральном пункте. Информация в постоянные запоминающие устройства 9.1, 9.2 заносится до начала функционирования системы: в постоянное запоминающие устройство 9.1 - в виде WP-матрицы объединения сигналов в пары, содержит 2·К элементов, где К - число пар; в постоянное запоминающее устройство 9.2 - в виде ТТ0 матрицы взаимных запаздываний, содержит V·К·V элементов, где V - число градаций по осям координат.Digital radio receivers 3.1-3.N are tuned to the frequency of the object, they are controlled and synchronized by the control (second) input by signals coming from the data transmission equipment 6 of the central point through the second outputs of the data transmission equipment 4.1-4.N of the receiving points. In an embodiment, it is possible to use the relay of received radio signals, as is done in the prototype method with the installation of a multi-channel (by the number of receiving points) digital radio receiver at a central point. Information in read-only memory devices 9.1, 9.2 is entered before the system starts functioning: in read-only memory device 9.1 - in the form of a WP matrix of combining signals into pairs, contains 2 · K elements, where K is the number of pairs; to read-only memory 9.2 - in the form of a TT0 matrix of mutual delays, contains V · K · V elements, where V is the number of gradations along the coordinate axes.
Оперативное запоминающее устройство 8.1 рассчитано на T·2·N комплексных чисел, где Т - задаваемый объем выборки, буферные запоминающие устройства 10.1, 10.2 - на Т-2 комплексных чисел, оперативное запоминающее устройство 8.2 на Т-2 чисел, буферное запоминающее устройство 10.3 на V·V чисел. Умножитель 11.1 обеспечивает перемножение комплексного (по первому входу) на комплексно сопряженное (по второму входу) число. Процессоры быстрого преобразования Фурье 7, 12 обеспечивают преобразование комплексных массивов Т-2 чисел. Значение порога в элементе 15 фиксированное, устанавливается вне зависимости от параметров сигналов и шумов, исходя из допустимого уровня ложной тревоги, количества пунктов приема и времени приема.Random access memory 8.1 is designed for T · 2 · N complex numbers, where T is the specified sample size, buffer memory 10.1, 10.2 for T-2 complex numbers, random access memory 8.2 for T-2 numbers, buffer memory 10.3 for V · V numbers. The multiplier 11.1 provides the multiplication of the complex (at the first input) by the complex conjugate (at the second input) number. Fast Fourier
Принцип функционирования системы состоит в следующем.The principle of operation of the system is as follows.
Перед началом работы осуществляют синхронизацию, определяют и устанавливают исходные параметры элементов системы.Before starting work, synchronization is carried out, the initial parameters of the system elements are determined and set.
1. Период дискретизации в приемных устройствах (3.1-3.N) согласно теореме Котельникова δt≤1/2·ΔF, где ΔF - полоса пропускания приемных устройств, и объем выборки Т из условия обеспечения времени приема Т·δt не менее удвоенного значения времени распространения электромагнитных волн между пунктами приема с максимальным взаимным удалением.1. The sampling period in the receiving devices (3.1-3.N) according to the Kotelnikov theorem δt≤1 / 2 · ΔF, where ΔF is the passband of the receiving devices, and the sample size T from the condition of the reception time T · δt is at least twice the time propagation of electromagnetic waves between points of reception with maximum mutual removal.
2. Количество N≥3 пространственно разнесенных пунктов приема, их номера n=0,1, ..., N-1 и координаты (Хn, Yn).2. The number N≥3 of spatially separated points of reception, their numbers n = 0,1, ..., N-1 and coordinates (X n , Y n ).
3. Параметры рабочей зоны системы: координаты центра (XC, YC), максимальное отклонение DR от центра по осям координат, шаг квантования пространства Δ из условия обеспечения требуемой инструментальной точности, число градаций по осям координат V=2·〈DR/Δ〉, где 〈·〉 операция округления до целого.3. Parameters of the working zone of the system: center coordinates (X C , Y C ), the maximum deviation of DR from the center along the coordinate axes, the space quantization step Δ from the condition for ensuring the required instrumental accuracy, the number of gradations along the coordinate axes V = 2 · 〈DR / Δ 〉, Where 〈·〉 rounding operation to the integer.
Точки пространства в пределах рабочей зоны в соответствии с выбранным шагом дискретизации нумеруют i, j=-0,1, ..., V-1 соответственно по оси ординат и оси абсцисс, при этом (i, j)-я точка имеет координатыSpace points within the working area in accordance with the selected sampling step are numbered i, j = -0,1, ..., V-1, respectively, along the ordinate and abscissa, while the (i, j) th point has coordinates
Таким образом, в рассматриваемом варианте реализации предусмотренные способом действия над сигналами осуществляют в дискретных точках пространства, которое ограничивают пределами рабочей зоны системы (определяемой, например, из условия прямой радиовидимости) и предварительно квантуют с заданным шагом квантования.Thus, in the considered embodiment, the actions provided by the method on the signals are carried out at discrete points in space, which are limited by the limits of the working area of the system (determined, for example, from the direct radio-visibility condition) and pre-quantized with a given quantization step.
4. Количество К и порядок объединения в пары принятых радиосигналов при обработке информации, в виде WP-матрицы, элементами которой являются номера пунктов приема WPq,k, где k=0,1, ..., К-1 - номер пары, q=0; 1 - номер сигнала (пункта приема) в паре. Таким образом, WP-матрица содержит 2·К элементов. Максимальная точность обеспечивается при переборе всех K=N·(N-1)/2 сочетаний пар сигналов, например, из условия WP0,k=0,1, ..., N-2, WP1,k=WP0,k+1, WP0,k+2,...,N-1. Значения элементов WP-матрицы заносят в постоянное запоминающие устройство 9.1.4. The number K and the order of combining in pairs of received radio signals during information processing, in the form of a WP matrix, the elements of which are the points of reception points WP q, k , where k = 0,1, ..., K-1 is the number of the pair, q is 0; 1 - signal (reception point) number in a pair. Thus, the WP-matrix contains 2 · K elements. Maximum accuracy is ensured when enumerating all K = N · (N-1) / 2 combinations of signal pairs, for example, from the condition WP 0, k = 0,1, ..., N-2, WP 1, k = WP 0, k +1, WP 0, k +2, ..., N-1. The values of the elements of the WP-matrix are entered in a permanent storage device 9.1.
5. Взаимное запаздывание моментов прихода электромагнитных волн из каждой точки пространства в каждую пару пунктов приема5. Mutual delay in the moments of arrival of electromagnetic waves from each point in space to each pair of points of reception
где 
Значение запаздывания в (2) дано в единицах периода дискретизации для согласования при последующей обработке.The delay value in (2) is given in units of the sampling period for agreement during subsequent processing.
ТТ0 матрица содержит V×К·V элементов. Значения ТТ0 матрицы заносят в постоянное запоминающие устройство 9.2.TT0 matrix contains V × K · V elements. The values of the TT0 matrix are recorded in read-only memory 9.2.
6. Вероятность ложной тревоги Рлт в элементах пространства и порог обнаружения, который рассчитывают по формуле6. The probability of false alarm P lt in the elements of space and the detection threshold, which is calculated by the formula
где Т'=Т·2·ΔF·δt - количество некоррелированных отсчетов выборки, gbeta(·, ·, ·) - функция, обратная бета-распределению (см. далее, формула (12)).where T '= T · 2 · ΔF · δt is the number of uncorrelated samples in the sample, gbeta (·, ·, ·) is the function inverse to the beta distribution (see formula (12) below).
Таким образом, значение порога зависит только от допустимого уровня (вероятности) ложной тревоги, времени приема (или объема выборки) и количества пунктов приема (или однозначно с ним связанного количества пар радиосигналов). Значение порога устанавливают в пороговом элементе 19.Thus, the threshold value depends only on the acceptable level (probability) of false alarm, the time of reception (or sample size) and the number of points of reception (or the associated number of pairs of radio signals uniquely with it). The threshold value is set in the threshold element 19.
По завершении этапа подготовки, радиоизлучение источника A(t) синхронно во всех пунктах приема 1.1-1.N принимают с помощью антенн 2.1-2.N и цифровых радиоприемных устройств 3.1-3.N, преобразуя в совокупность дискретных временных отсчетов радиосигналаUpon completion of the preparation stage, the radio emission of the source A (t) is synchronously received at all reception points 1.1-1.N using antennas 2.1-2.N and digital radio receivers 3.1-3.N, converting into a set of discrete time samples of the radio signal
где t=0,1, ..., T-1 - номер временного отсчета, τn, ηn - соответственно задержка и ослабление радиосигнала при распространении в n-й пункт приема, ψt,n - отсчеты шума приемного устройства.where t = 0,1, ..., T-1 is the number of the time reference, τ n , η n are the delay and attenuation of the radio signal when propagating to the nth receiving point, ψ t, n are the noise samples of the receiving device.
Принятые радиосигналы передают с помощью аппаратуры передачи данных 4.1-4.N, 6 на центральный пункт 5.The received radio signals are transmitted using data transmission equipment 4.1-4.N, 6 to the
После приема заданной выборки Т с использованием дискретного преобразования Фурье в процессоре 7 получают комплексные спектрыAfter receiving a given sample T using a discrete Fourier transform in the processor 7 receive complex spectra
где f=0,1, ..., F-1 - номер спектрального коэффициента, F=T - число спектральных коэффициентов, i1 - мнимая единица.where f = 0,1, ..., F-1 is the number of spectral coefficient, F = T is the number of spectral coefficients, i1 is the imaginary unit.
Вид амплитудного спектра сигнала с синусоидальной частотной модуляцией показан на фиг.2.The view of the amplitude spectrum of the signal with a sinusoidal frequency modulation is shown in figure 2.
Результаты преобразования (5) заносят в оперативное запоминающее устройство 8.1, последовательно считывают комплексные спектры сигналов различных пар (в порядке, определяемом данными постоянного запоминающего устройства 9.1) и заносят спектр первого сигнала пары в буферное запоминающее устройство 10.1, а второго - в буферное запоминающее устройство 10.2, после чего выполняют попарную обработку различных радиосигналов. При этом в блоках 13.1, 16.1 и 13.3, 16.2 определяют энергию каждого из сигналов парыThe results of the conversion (5) are recorded in random access memory 8.1, the complex spectra of signals of various pairs are sequentially read (in the order determined by the data of read-only memory 9.1), and the spectrum of the first signal of the pair is recorded in buffer memory 10.1, and the second in buffer memory 10.2 and then perform pairwise processing of various radio signals. Moreover, in blocks 13.1, 16.1 and 13.3, 16.2 determine the energy of each of the signals of the pair
Таким образом, в предлагаемом варианте реализации измерение значений энергии принятых радиосигналов включает операции (5), (6).Thus, in the proposed embodiment, the measurement of the energy values of the received radio signals includes operations (5), (6).
В умножителе 11.2 определяют попарные произведения значений энергии, то есть значения энергии различных радиосигналов каждой пары пространственно разнесенных пунктов перемножают, а затем усредняют по совокупности пар радиосигналов в накапливающем сумматоре 16.3In the multiplier 11.2 determine the pairwise products of the energy values, that is, the energy values of the various radio signals of each pair of spatially separated points are multiplied, and then averaged over the totality of the pairs of radio signals in the accumulating adder 16.3
Для каждой пары принятых радиосигналов определяют квадрат модуля комплексной взаимной корреляционной функции, для чего перемножают в умножителе 11.1 комплексные спектры сигналов и выполняют в процессоре 12 обратное дискретное преобразование Фурье с определением квадрата модуля в блоке 13.2For each pair of received radio signals, the square of the module of the complex mutual correlation function is determined, for which the complex spectra of the signals are multiplied in the multiplier 11.1 and the inverse discrete Fourier transform is performed in the
где, tt=0,1, ..., 2·T-1 - номер временного сдвига между сигналами в единицах периода дискретизации, черта над величиной означает ее комплексное сопряжение.where, tt = 0,1, ..., 2 · T-1 is the number of the time shift between the signals in units of the sampling period, the line above the value means its complex conjugation.
Для представления отсчетов квадрата модуля комплексной взаимной корреляционной функции в естественном порядке при записи в оперативное запоминающее устройство 8.2 делают перестановку ρtt+F,k=ρtt,k при tt=0,1, ..., T-1, ρtt-F,k=ρtt,k при tt=Т,Т+1, ..., 2·Т-1. При этом нулевое значение временного сдвига соответствует точке tt=Т.To represent the samples of the square of the module of the complex mutual correlation function in the natural order when writing to the RAM 8.2, permutation ρ tt + F, k = ρ tt, k at tt = 0,1, ..., T-1, ρ tt- F, k = ρ tt, k for tt = Т, Т + 1, ..., 2 · Т-1. In this case, the zero value of the time shift corresponds to the point tt = T.
Указанный порядок (5), (8) получения комплексной взаимной корреляционной функции известен и описан, например, в [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М., Мир, 1978 г., стр.74-76, 445-446]. В приведенном варианте практической реализации, значения квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций представляются с дискретностью, равной периоду дискретизации сигналов во времени. Пример квадрата модуля взаимной корреляционной функции для радиосигнала с синусоидальной частотной модуляцией показан на фиг.3. Функция имеет многопиковый характер, что и приводит к аномальным погрешностям измерения задержки в способе-прототипе.The indicated procedure (5), (8) for obtaining a complex mutual correlation function is known and described, for example, in [Rabiner L., Gould B. Theory and application of digital signal processing. - M., Mir, 1978, pp. 74-76, 445-446]. In the given version of the practical implementation, the values of the squares of the modules of the complex mutual correlation functions are represented with a discreteness equal to the sampling period of the signals in time. An example of the squared module of the cross-correlation function for a radio signal with a sinusoidal frequency modulation is shown in Fig.3. The function has a multi-peak nature, which leads to abnormal errors in the measurement of delay in the prototype method.
После выполнении операции (8) в преобразователе функций 14 с применением оперативного запоминающего устройства 8.2, управляемого постоянным запоминающим устройством 9.2, для каждой точки пространства и каждой пары приемных пунктов определяют соответствующие взаимным запаздываниям (2) значения квадратов модулей взаимных корреляционных функций, то есть значения квадратов модулей взаимных корреляционных функций в точках временного сдвига равных взаимному запаздыванию (плюс F с учетом особенности нумерации значений частотного сдвига)After performing operation (8) in the function converter 14 using random access memory 8.2, controlled by read-only memory 9.2, for each point in space and each pair of receiving points, the square values of the modules of mutual correlation functions corresponding to mutual delays (2) are determined, i.e., the squares modules of mutual correlation functions at the points of time shift equal to the mutual delay (plus F, taking into account the peculiarity of the numbering of the frequency shift values)
Пространственное изображение преобразованного на плоскость координат квадрата модуля взаимной корреляционной функции (9) показано на фиг.4. Эта функция представляет собой тело неопределенности в пространстве с одинаковыми значениями в точках, где взаимное запаздывание равно временному сдвигу (на линии соответствующей гиперболы).A spatial image of the squared modulus of the cross-correlation function (9) transformed to the coordinate plane is shown in Fig. 4. This function is a body of uncertainty in space with the same values at the points where the mutual delay is equal to the time shift (on the line of the corresponding hyperbola).
Значения квадратов модуля взаимных корреляционных функций (9) в каждой точке пространства усредняют (с использованием сумматора 15 и буферного запоминающего устройства 10.2, куда заносятся промежуточные результаты суммирования данных с выхода преобразователя 14) по совокупности пар приемных пунктовThe values of the squares of the module of mutual correlation functions (9) at each point in space are averaged (using an
После чего в делителе 17 находят отношение результатов усреднения (10) и (7), получая решающую статистикуThen in the divider 17 find the ratio of the results of averaging (10) and (7), getting the decisive statistics
В результате суммирования по совокупности пар приемных пунктов (10) в решающей статистике содержится информация не только о положении максимума квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций (прототип), но всей совокупности их значений, энергия принятых сигналов локализуется в окрестности координат источника, что видно из примера фиг.5. Поскольку суммирование выполняется с весом обратно пропорциональным ослаблению радиосигналов при распространении, то большее значение имеют квадраты модулей взаимных корреляционных функций для пар сигналов большей амплитуды, полученные с меньшими погрешностями измерений, что повышает точность определения координат и вероятность обнаружения.As a result of summing over the totality of pairs of receiving points (10), the decisive statistics contain information not only on the position of the maximum squares of the modules of the complex mutual correlation functions (prototype), but on the totality of their values, the energy of the received signals is localized in the vicinity of the source coordinates, as can be seen from the example figure 5. Since the summation is performed with the weight inversely proportional to the attenuation of the radio signals during propagation, the squares of the modules of mutual correlation functions for pairs of signals of greater amplitude, obtained with smaller measurement errors, are of greater importance, which increases the accuracy of determining the coordinates and the probability of detection.
Значение решающей статистики при большом отношении сигнал-шум стремится к 1 вне зависимости от значений коэффициентов ослабления.The value of the decisive statistics with a large signal-to-noise ratio tends to 1 regardless of the attenuation coefficients.
В отсутствие сигнала решающая статистика не зависит от интенсивности шума и имеет бета-распределениеIn the absence of a signal, the decisive statistics are independent of the noise intensity and have a beta distribution
с параметрами формы α=К; β=К·Т' где Г(·) - гамма-функция.with shape parameters α = K; β = K · T 'where G (·) is the gamma function.
При большом объеме выборки среднее значение решающей статистики согласно (12) стремится к нулю. Данная особенность используется для обнаружения сигнала.With a large sample size, the average value of the decisive statistics, according to (12), tends to zero. This feature is used to detect a signal.
В блоке 18 по совокупности всех точек пространства определяют максимальное значение решающей статистики и положение максимумаIn block 18, the maximum value of the decisive statistics and the position of the maximum are determined from the totality of all points in space
Максимальное значение в элементе 19 сравнивают с ранее рассчитанным порогом, при превышении которого принимают решение о наличии радиоизлучения с выдачей на выход системы результата обнаружения и координат источника (со второго выхода блока 18) в виде номеров точки пространства (14) или пересчитанных в метрическую систему в соответствии с формулой (1).The maximum value in element 19 is compared with a previously calculated threshold, above which a decision is made on the presence of radio emission with the output of the detection result and the source coordinates (from the second output of block 18) in the form of space point numbers (14) or converted to the metric system in according to the formula (1).
Эффективность изобретения выражается в повышении вероятности обнаружения и точности измерения координат источников радиоизлучения. Для оценки количественных значений выполнено моделирование способа. Моделировалась система из 3-х пунктов приема с размещением согласно фиг.6 (кружками показано размещение пунктов приема, крестиком - источника радиоизлучения.). Программа модели в системе Mathcad-2000 приведена на фиг.7. Приняты следующие основные параметра: полоса пропускания приемных устройств 10 МГц, период дискретизации 0,05 мкс, излучаемый сигнал имеет синусоидальную частотную модуляцию с девиацией частоты 3 МГц, ослабление сигналов в соответствии с квадратичной формулой Введенского пропорционально квадрату расстояния до пунктов приема, вероятность ложной тревоги 10-3 (порог обнаружения 4,222·10-3). В результате моделирования установлено, что при частоте модуляции более 18 кГц с применением способа-прототипа возникают пропуски сигналов (с вероятностью, близкой к единице) и аномальные погрешности измерений, превышающие единицы километров. Указанные погрешности и пропуски сигналов устраняются предлагаемым способом при увеличении частоты модуляции до 32 кГц. Пороговое отношение сигнал-шум (отношение амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума, при котором обеспечивается обнаружение сигнала с вероятностью правильного обнаружения не ниже 0,9, а среднеквадратические ошибки определения координат не превышают 100 м) снижается предлагаемым способом по сравнению с прототипом в 3,5 раза (до 0,25). Относительно способа-прототипа сокращается число операций максимизации (исключаются операции максимизации каждой из взаимных корреляционных функций), что упрощает реализацию способа обнаружения и определения координат.The effectiveness of the invention is expressed in increasing the likelihood of detection and the accuracy of measuring the coordinates of radio sources. To evaluate quantitative values, a simulation of the method is performed. A system of 3 reception points was modeled with placement according to Fig. 6 (circles indicate the location of reception points, and a cross indicates the source of radio emission.). The model program in the Mathcad-2000 system is shown in Fig.7. The following main parameters were adopted: 10 MHz receiver bandwidth, 0.05 μs sampling period, emitted signal has a sinusoidal frequency modulation with a frequency deviation of 3 MHz, signal attenuation in accordance with the Vvedensky quadratic formula in proportion to the square of the distance to the receiving points, the probability of false alarm 10 -3 (detection threshold of 4.222 · 10 -3 ). As a result of modeling, it was found that at a modulation frequency of more than 18 kHz using the prototype method, signal gaps (with a probability close to unity) and anomalous measurement errors exceeding units of kilometers occur. The indicated errors and omissions of signals are eliminated by the proposed method by increasing the modulation frequency to 32 kHz. The threshold signal-to-noise ratio (the ratio of the signal amplitude to the root-mean-square noise value, at which the signal is detected with a probability of correct detection of at least 0.9, and the standard errors of the coordinate determination do not exceed 100 m) are reduced by the proposed method compared to the
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004111584/09A RU2285937C2 (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004111584/09A RU2285937C2 (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004111584A RU2004111584A (en) | 2005-10-20 |
| RU2285937C2 true RU2285937C2 (en) | 2006-10-20 |
Family
ID=35862770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004111584/09A RU2285937C2 (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2285937C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2560089C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of passive radio location |
| RU2617711C1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-04-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НРТБ-Система" (ООО "НРТБ-С") | Method for determining coordinates of radio source |
| RU2659808C1 (en) * | 2017-07-05 | 2018-07-04 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for determining coordinates of a radio emission |
| RU2772812C1 (en) * | 2021-04-29 | 2022-05-26 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Range-difference method for determining the coordinates of a radio emission source |
-
2004
- 2004-04-15 RU RU2004111584/09A patent/RU2285937C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2560089C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of passive radio location |
| RU2617711C1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-04-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НРТБ-Система" (ООО "НРТБ-С") | Method for determining coordinates of radio source |
| RU2659808C1 (en) * | 2017-07-05 | 2018-07-04 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for determining coordinates of a radio emission |
| RU2772812C1 (en) * | 2021-04-29 | 2022-05-26 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Range-difference method for determining the coordinates of a radio emission source |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004111584A (en) | 2005-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11057862B2 (en) | Wi-Fi radar detection using synchronized wireless access point | |
| US11630195B2 (en) | Estimation method, estimation device, and program | |
| US11163057B2 (en) | Estimation device, living body count estimation device, estimation method, and recording medium | |
| RU2488133C1 (en) | Hydroacoustic complex to detect moving source of sound, to measure azimuthal angle to source and horizon of source of sound in shallow sea | |
| CN109444896B (en) | Underwater sound array positioning system and positioning method thereof | |
| US20220214421A1 (en) | Estimation device, estimation method, and recording medium | |
| US11808835B2 (en) | Hybrid method for time-of-arrival-based ranging | |
| US11555881B2 (en) | Locating method for localizing at least one object using wave-based signals and locating system | |
| RU2537472C1 (en) | Hydroacoustic system for detecting submerged moving sound source and measuring coordinates thereof in shallow sea | |
| JP6893328B2 (en) | Sensor and position estimation method | |
| RU2399062C1 (en) | Ionospheric probe-direction finder | |
| JP2020109389A (en) | Estimation method, estimation device, and program | |
| RU128726U1 (en) | DEVICE FOR EVALUATING THE DIFFERENCE OF THE MOMENTS OF RECEIVING RADIO SIGNALS IN TWO SPACED RECEIVING POINTS | |
| RU2285937C2 (en) | Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source | |
| RU2768011C1 (en) | Method for single-step adaptive determination of coordinates of radio-frequency sources | |
| Kram et al. | Delay estimation in dense multipath environments using time series segmentation | |
| RU2697937C1 (en) | Sonar method of detecting an object and measuring its parameters | |
| RU2294546C2 (en) | Method for identification of radio-radiation | |
| RU2518015C1 (en) | Method of improving accuracy of estimating difference in time of reception of radio signals using radio wave propagation channel features | |
| RU2559310C2 (en) | Method of estimating distance to noisy object at sea | |
| RU2555194C1 (en) | Processing of hydroacoustic signal from noise-emitting object | |
| JP2019120613A (en) | Rader system, method of controlling rader system, and program | |
| KR20150058682A (en) | Method and Apparatus for a fast Linear Frequency Modulation target detection compensating Doppler effect according to the target speed | |
| RU2378660C1 (en) | Method for detection and definition of radio radiation source coordinates | |
| RU2768217C1 (en) | Method for adaptive multichannel detection of radio signals in interference conditions with unknown parameters |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060416 |