RU2516432C2

RU2516432C2 - Method of locating radio-frequency source

Info

Publication number: RU2516432C2
Application number: RU2012111879/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Уфаев; Денис Владимирович Уфаев
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2014-05-20
Also published as: RU2012111879A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in multiposition radio systems with mobile receiving stations mounted, for example, on aircraft. The method involves periodically receiving source radio signals simultaneously at not less than two spaced-apart mobile receiving stations, synchronously measuring eigen coordinates and parameters of the velocity vector, followed by transmission thereof and the received radio signals to a central station and locating the radio-frequency source. At the central station in each reception period, Doppler frequency shift and mutual delay of moments of arrival of electromagnetic waves from possible locations of the source to the receiving stations are calculated taking into account measured eigen coordinates thereof and parameters of the velocity vector; energy of the received radio signals is measured; the average geometric energy is determined for different pairs of radio signals; values of the modulus of complex cross-correlation functions are measured at points of design delays and Doppler frequency shifts, which are subtracted from the average geometric energy, and the obtained differences are averaged based on the plurality of different pairs of radio signals and reception periods and the radio-frequency source is located based on the minimum of said averaged values.

EFFECT: wider field of application with an arbitrary number of receiving stations and time intervals of movement with increase in accuracy of determining coordinates to the potential limit.

7 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многопозиционных радиотехнических системах с подвижными пунктами приема устанавливаемыми, например, на летательных аппаратах.The invention relates to radio engineering and can be used in multi-position radio systems with mobile receiving points installed, for example, on aircraft.

Известен (Патент РФ №2285937, 2006, G01S 13/00; G01S 5/00) способ определения координат источника радиоизлучения, включающий прием радиоизлучения источника не менее чем в трех пространственно разнесенных пунктах приема с известными собственными координатами с последующей передачей принятых радиосигналов на центральный пункт, где их преобразуют в нормированный пространственный спектр, по максимуму которого определяют координаты источника. Для преобразования радиосигналов в нормированный пространственный спектр рассчитывают взаимное запаздывание моментов прихода электромагнитных волн в пункты приема из мест возможного положения источника, измеряют энергию принятых радиосигналов, определяют произведения энергии различных пар радиосигналов и квадраты модулей комплексных взаимных корреляционных функций в точках расчетного запаздывания, после чего значения квадратов модулей усредняют по совокупности пар радиосигналов, находят отношение усредненных квадратов модулей комплексных взаимных корреляционных функций к соответствующим усредненным попарным произведениям энергии радиосигналов.There is a known (RF Patent No. 2285937, 2006, G01S 13/00; G01S 5/00) method for determining the coordinates of a radio emission source, including receiving radio emission from a source in at least three spatially separated reception points with known own coordinates, followed by transmission of the received radio signals to a central point , where they are converted into a normalized spatial spectrum, the maximum of which determines the coordinates of the source. To convert radio signals into a normalized spatial spectrum, the mutual delay of the moments of arrival of electromagnetic waves at points of reception from places of a possible source position is calculated, the energy of the received radio signals is measured, the product of the energy of various pairs of radio signals and the squares of the modules of the complex mutual correlation functions at the points of the calculated delay are calculated, after which the squares modules are averaged over the totality of pairs of radio signals, find the ratio of the averaged squares to the module complex cross-correlation functions corresponding to the average pairwise products of radio energy.

В способе используется информация только о задержках (запаздывании) сигналов, он может быть отнесен к классу разностно-дальномерных способов с одноэтапной обработкой.The method uses information only about the delays (delays) of signals, it can be assigned to the class of difference-ranging methods with one-stage processing.

Данному способу присущи следующие недостатки. Существенное ограничение области применимости способа - неприменимость его для гармонических (узкополосных) излучений из-за многомодальности пространственного спектра таких сигналов и, соответственно, неоднозначности определения его максимума. Кроме того, область применения способа ограничена условием неподвижности пунктов приема (неизменности их координат). В случае движения возникает доплеровский сдвиг частоты, потенциальные точности определения координат не реализуются, более того, неизвестный сдвиг частоты выступает дестабилизирующим фактором, а его не учет приводит к возникновению дополнительных погрешностей определения координат.This method has the following disadvantages. A significant limitation of the field of applicability of the method is its inapplicability for harmonic (narrow-band) radiation due to the multimodality of the spatial spectrum of such signals and, accordingly, the ambiguity in determining its maximum. In addition, the scope of the method is limited by the condition of immobility of reception points (the invariability of their coordinates). In the case of motion, a Doppler frequency shift occurs, potential coordinates are not realized, moreover, an unknown frequency shift acts as a destabilizing factor, and its neglect leads to the appearance of additional errors in the determination of coordinates.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является разностно-дальномерно-доплеровский способ определения местоположения источника радиоизлучения с двухэтапной обработкой (Кондратьев B.C. и др. Многопозиционные радиотехнические системы / В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков; Под ред. проф. В.В. Цветаева. - М.: Радио и связь, 1986, с.246-247, 251, 178-179), включающий периодический прием радиоизлучения источника одновременно не менее чем в двух пространственно разнесенных подвижных пунктах приема, синхронно с этим измерение собственных координат и параметров вектора скорости движения пунктов приема, с последующей передачей их и принятых радиосигналов на центральный пункт, измерение разности задержек моментов прихода электромагнитных волн в пункты приема и доплеровских сдвигов частот различных пар принятых радиосигналов, и определение местоположения источника по совокупности результатов измерений.Of the known methods, the closest to the proposed one in technical essence is the difference-rangefinder-Doppler method for determining the location of a radio emission source with two-stage processing (Kondratiev BC et al. Multiposition radio engineering systems / V.S. Kondratiev, A.F. Kotov, L.N. Markov; Under the editorship of Prof. V.V. Tsvetaeva. - M.: Radio and Communications, 1986, p. 246-247, 251, 178-179), including periodic reception of radio emission from a source simultaneously in at least two spatially separated mobile reception points synchronously with this from measuring the eigen coordinates and parameters of the velocity vector of the receiving points, followed by their transmission and received radio signals to a central point, measuring the difference in the delays of the moments of arrival of electromagnetic waves at the receiving points and Doppler frequency shifts of different pairs of received radio signals, and determining the location of the source from the set of measurement results.

Ему присущи следующие недостатки. Неучет отношения сигнал/шум в пунктах приема приводит к невозможности реализации потенциальных точностей определения координат, в ряде случаев приводя к аномальным погрешностям, например, когда отсутствует энергетическая доступность излучения источника в одном или нескольких пунктах приема. Отношение сигнал/шум в пунктах приема различается, как вследствие различий уровней сигналов, связанных с их ослаблением при распространении, так и различия в уровне шумов приема, в частности, контактных шумов двигателей летательных аппаратов, на которых размещены пункты приема. Область применения способа, вследствие неопределенности заключительной операции (определения координат источника по совокупности результатов измерений) ограничена условиями наличия не более двух подвижных точек и определения координат только одномоментно, в фиксированный момент времени. Порядок действий и операций над сигналами, объединения информации при движении на заданных или произвольных интервалах времени, когда прием и последующие операции способа выполняют периодически и многократно, не конкретизирован. Проблематично обеспечение высокоточных совместных измерений задержек и сдвигов частот, в частности последних с относительной погрешностью порядка 10^-7 (Кондратьев B.C. и др. Многопозиционные радиотехнические системы / В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков; Под ред. проф. В.В. Цветнова. - М.: Радио и связь, 1986, 251).It has the following disadvantages. Failure to take into account the signal-to-noise ratio at the points of reception leads to the impossibility of realizing the potential accuracy of determining the coordinates, in some cases leading to anomalous errors, for example, when there is no energy availability of the source radiation at one or more points of reception. The signal-to-noise ratio at reception points varies, both due to differences in signal levels associated with their attenuation during propagation, as well as differences in the level of reception noise, in particular, contact noise of aircraft engines on which reception points are located. The scope of the method, due to the uncertainty of the final operation (determining the coordinates of the source from the totality of the measurement results) is limited by the conditions for the presence of no more than two moving points and the determination of the coordinates only at a time, at a fixed point in time. The order of actions and operations on signals, combining information when moving at predetermined or arbitrary time intervals, when the reception and subsequent operations of the method are performed periodically and repeatedly, is not specified. It is problematic to provide high-precision joint measurements of delays and frequency shifts, in particular the latter with a relative error of the order of 10 ^-7 (Kondratiev BC et al. Multiposition radio engineering systems / V.S. Kondratiev, A.F. Kotov, L.N. Markov; Ed. Prof. V.V. Tsvetnova. - M .: Radio and communications, 1986, 251).

Технической задачей данного изобретения является расширение области применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат.The technical task of this invention is to expand the scope of the known method for the case of an arbitrary number of points of reception and time intervals of movement with increasing accuracy of determining coordinates.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе определения местоположения источника радиоизлучения, включающем периодический прием радиосигналов источника одновременно не менее чем в двух пространственно разнесенных подвижных пунктах приема, синхронно с этим измерение собственных координат и параметров вектора скорости движения, с последующей передачей их и принятых радиосигналов на центральный пункт и определение местоположения источника радиоизлучения, новым является то, что, на центральном пункте в каждом из периодов приема рассчитывают доплеровские сдвиги частот и взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из мест возможного положения источника в пункты приема с учетом их измеренных собственных координат и параметров вектора скорости, измеряют энергию принятых радиосигналов, для различных пар радиосигналов определяют среднее геометрическое энергии, измеряют значения модуля комплексных взаимных корреляционных функций в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот, которые вычитают из среднего геометрического энергии, затем по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема полученные разности усредняют и по минимуму этих усредненных значений определяют местоположение источника радиоизлучения.The problem is solved due to the fact that in the known method for determining the location of a source of radio emission, which includes periodically receiving radio signals of the source at the same time in at least two spatially separated mobile receiving points, synchronously with this, measuring their own coordinates and parameters of the velocity vector, followed by their transmission and received radio signals at a central point and determining the location of a radio source, the new is that, at a central point in each of Doppler frequency shifts and mutual delays of the moments of arrival of electromagnetic waves from places of a possible source position to receiving points, taking into account their measured proper coordinates and velocity vector parameters, calculate the energy of received radio signals, determine the geometric mean energy for various pairs of radio signals, measure the values of the complex modulus mutual correlation functions at points of calculated delays and Doppler frequency shifts that are subtracted from the average geome energy-parameter, then combination of different pairs of radio signals and receiving periods are averaged and the difference obtained by minimizing these averaged values determine the location of the radio source.

Решение поставленной технической задачи состоит в переходе к одноэтапной обработке принятых радиосигналов без предварительного измерения параметров, связанных с подлежащих определению координатами: задержек и доплеровских сдвигов частот, как это принято в способе-прототипе.The solution of the technical problem posed consists in the transition to a single-stage processing of the received radio signals without first measuring the parameters associated with the coordinates to be determined: delays and Doppler frequency shifts, as is customary in the prototype method.

Ключевым моментом при этом является определение пространственного функционала (функции пространственной неопределенности) инвариантного к собственным координатам пунктов приема при произвольном их числе и имеющего экстремум (минимум) в окрестности местоположения источника, вне зависимости от параметров сигналов и шумов.The key point in this case is the determination of the spatial functional (spatial uncertainty function) that is invariant to the eigen coordinates of the receiving points for an arbitrary number of them and having an extremum (minimum) in the vicinity of the source location, regardless of the parameters of the signals and noise.

Основу такого функционала составляют измерения модуля комплексных взаимных корреляционных функций принятых радиосигналов в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот. Эти измерения, в соответствии с известными свойствами корреляционных функций, в данном случае двухмерных по времени и частоте, в точке расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот, соответствующей истинным координатам источника, то есть после компенсации истинных параметров запаздываний и доплеровских сдвигов, имеют максимум вне зависимости от параметров сигналов. В присутствии шумов и помех значение максимума не превышает среднего геометрического энергии соответствующей пары сигналов и тем больше, чем выше отношение сигнал шум, снижается при отстройке расчетных параметров от истинных значений.The basis of such a functional is the measurement of the module of complex mutual correlation functions of the received radio signals at the points of the calculated delays and Doppler frequency shifts. These measurements, in accordance with the known properties of the correlation functions, in this case two-dimensional in time and frequency, at the point of calculated delays and Doppler frequency shifts corresponding to the true coordinates of the source, that is, after compensating for the true parameters of the delays and Doppler shifts, have a maximum regardless of signal parameters. In the presence of noise and interference, the maximum value does not exceed the geometric mean energy of the corresponding signal pair, and the more, the higher the signal-to-noise ratio, decreases when the calculated parameters are detuned from the true values.

Указанное свойство инвариантности позволяет определить функцию пространственной неопределенности в виде разности среднего геометрического энергии и модуля комплексных взаимных корреляционных функций и усреднять ее значения по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема, при этом автоматически учитывается отношение сигнал/шум в измерениях, что дополнительно повышает точность определения координат.The indicated invariance property allows one to determine the spatial uncertainty function in the form of the difference between the geometric mean energy and the module of complex mutual correlation functions and average its values over the totality of different pairs of radio signals and reception periods, while the signal-to-noise ratio in the measurements is automatically taken into account, which further increases the accuracy of determining the coordinates .

Усреднение значений функции неопределенности необходимо выполнять для каждой точки (места) возможного положения источника. Координаты этих точек должны быть неизменны в течение всего времени движения носителей пунктов приема, могут быть получены, как и в аналоге, путем квантования области возможного местонахождения источника.Averaging the values of the uncertainty function must be performed for each point (place) of the possible position of the source. The coordinates of these points should be unchanged during the entire time of movement of the carriers of the points of reception, can be obtained, as in the analogue, by quantizing the area of the possible location of the source.

Тип усреднения определяется условиями электромагнитной обстановки. В соответствии с результатами статистического синтеза, при шумах приема постоянной (но неизвестной, возможно различной) интенсивности оптимальным является нахождение среднего арифметического, когда шумы нестационарные предпочтительнее выполнять усреднение, определяя среднее геометрическое.The type of averaging is determined by the conditions of the electromagnetic environment. In accordance with the results of statistical synthesis, when receiving noise of a constant (but unknown, possibly different) intensity, it is optimal to find the arithmetic mean, when the unsteady noises are preferable to perform averaging, determining the geometric mean.

Предлагаемый порядок обработки принятых радиосигналов снимает проблему высокоточных совместных измерений первичных параметров: задержек и сдвигов частот, присущую способу-прототипу. В предлагаемом способе оценивается не максимум двухмерных корреляционных функций по частоте и времени, а только значения этих функций, причем в известных точках (расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот), что в свою очередь, устраняя погрешности первичных измерений, увеличивает точность определения координат.The proposed processing order of the received radio signals removes the problem of high-precision joint measurements of primary parameters: delays and frequency shifts inherent in the prototype method. In the proposed method, it is estimated not a maximum of two-dimensional correlation functions in frequency and time, but only the values of these functions, and at known points (calculated delays and Doppler frequency shifts), which, in turn, eliminating the errors of primary measurements, increases the accuracy of determining the coordinates.

Таким образом, переход к одноэтапной обработке принятых радиосигналов в соответствии с предложенными новыми действиями над сигналами, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: расширить область применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат.Thus, the transition to a single-stage processing of the received radio signals in accordance with the proposed new actions on the signals, the conditions and the order of their execution, allows us to solve the technical problem: to expand the scope of the known method for the case of an arbitrary number of receiving points and time intervals of movement with increasing accuracy of determining coordinates .

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.These advantages, as well as features of the present invention are illustrated by a variant of its implementation with reference to the accompanying figures.

На фиг.1 представлена структурная схема системы радиоконтроля для реализации заявленного способа;Figure 1 presents the structural diagram of a radio monitoring system for implementing the inventive method;

на фиг.2 представлена структурная схема измерителя взаимной энергии;figure 2 presents the structural diagram of the meter of mutual energy;

на фиг.3 представлена структурная схема измерителя взаимной корреляции;figure 3 presents the structural diagram of the cross-correlation meter;

фиг.4 - маршрут движения и положение источника радиоизлучения на плоскости в декартовой системе определения координат;figure 4 - the route of movement and the position of the source of radio emission on a plane in a Cartesian coordinate system;

фиг.5 - амплитудный спектр радиосигнала;5 is an amplitude spectrum of a radio signal;

фиг.6 - доплеровский сдвиг частот на маршруте движения;6 is a Doppler frequency shift on the route of movement;

фиг.7 - линейная ошибка определения координат на маршруте движения.Fig.7 is a linear error in determining the coordinates on the route of movement.

Система радиоконтроля (фиг.1), реализующая предложенный способ, содержит N≥2 пунктов приема 1.1-1.N, каждый из которых включает последовательно соединенные приемную антенну 2 и, через первый вход, радиоприемное устройство 3, ко второму входу которого подключен первый выход навигационного прибора 4, второй выход которого соединен с первым входом аппаратуры передачи данных 5, второй вход которой соединен с выходом радиоприемного устройства 3, причем выход аппаратуры передачи данных 5 является выходом пункта приема, и центральный пункт обработки 6, содержащий, входами 1…N соединенную с выходами соответственно пунктов приема 1.1-1.N, аппаратуру приема данных 7, второй выход которой подключен к первому входу блока расчета частоты и задержки 8, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства рабочей зоны 9, а так же измеритель взаимной энергии 10, входом соединенный с первым выходом аппаратуры приема данных 7 и первым входом измерителя взаимной корреляции 11, подключенного к первому и второму выходу блока расчета частоты и задержки 8 соответственно вторым и третьим входом, а выходом, последовательно через второй вход устройства вычитания 12, блок усреднения 13, к первому входу устройства определения минимума 14, выход которого является выходом системы радиоконтроля, а второй вход соединен с выходом запоминающего устройства рабочей зоны 9, причем выход измерителя взаимной корреляции 11, подключен ко второму входу устройства вычитания 12.The radio monitoring system (figure 1) that implements the proposed method contains N≥2 receiving points 1.1-1.N, each of which includes a receiving antenna 2 in series and, through the first input, a radio receiver 3, to the second input of which the first output is connected a navigation device 4, the second output of which is connected to the first input of the data transmission equipment 5, the second input of which is connected to the output of the radio receiving device 3, and the output of the data transmission equipment 5 is the output of the reception point, and the central processing point 6 comprising, inputs 1 ... N connected to the outputs of 1.1-1.N receiving points, respectively, data receiving equipment 7, the second output of which is connected to the first input of the frequency and delay calculation unit 8, the second input of which is connected to the output of the storage device of the working area 9, as well as a mutual energy meter 10 connected to the first output of the data receiving equipment 7 and the first input of the cross-correlation meter 11 connected to the first and second output of the frequency and delay calculation unit 8, respectively, the second and third input, and the output, sequentially through the second input of the subtraction device 12, the averaging unit 13, to the first input of the minimum determination device 14, the output of which is the output of the radio monitoring system, and the second input is connected to the output of the storage device of the working area 9, and the output of the cross-correlation meter 11 is connected to the second input of the subtraction device 12.

При этом измеритель взаимной энергии 10 содержит последовательно соединенные измеритель энергии 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16 и, через его первый выход, устройство определения среднего геометрического 17 по первому входу, второй вход которого подключен к одноименному выходу оперативного запоминающего устройства 16, причем измеритель взаимной корреляции 11 содержит первый умножитель 18.1, вход 1 которого является первым входом измерителя взаимной корреляции 11, а второй вход соединен с выходом формирователя сигнала 19, вход которого является вторым входом измерителя взаимной корреляции 11, блок преобразования Фурье 20, вход которого подключен к выходу первого умножителя 18.1, а выход к первому входу второго умножителя 18.2, второй вход которого соединен с входом формирователя спектра 19, вход которого является третьим входом измерителя взаимной корреляции 11, соединенные последовательно оперативное запоминающее устройство 20 и, через его первый выход по одноименному входу, коррелятор 21, выход которого является выходом измерителя взаимной корреляции 11, а второй вход соединен со вторым выходом оперативного запоминающего устройства 20.In this case, the mutual energy meter 10 comprises a series-connected energy meter 15, random access memory (RAM) 16 and, through its first output, a device for determining the geometric mean 17 at the first input, the second input of which is connected to the same output of random access memory 16, and the meter cross-correlation 11 contains the first multiplier 18.1, the input 1 of which is the first input of the cross-correlation meter 11, and the second input is connected to the output of the signal shaper 19, the input to This is the second input of the cross-correlation meter 11, the Fourier transform unit 20, the input of which is connected to the output of the first multiplier 18.1, and the output to the first input of the second multiplier 18.2, the second input of which is connected to the input of the spectrum former 19, the input of which is the third input of the cross-correlation meter 11, connected in series with random access memory 20 and, through its first output at the input of the same name, the correlator 21, the output of which is the output of the cross-correlation meter 11, and the second input with connected to the second output of random access memory 20.

Радиоприемное устройство 3 цифрового типа, обеспечивает представление принятых радиосигналов отсчетами мгновенных значений с заданным периодом дискретизации. Длительность реализации (время приема сигнала в каждом из периодов приема) устанавливают одинаковой, целесообразно для устранения эффектов нестационарности не менее трех периодов модуляции (манипуляции) излучаемого источником радиосигнала.The digital radio receiver 3 provides a representation of the received radio signals by counting instantaneous values with a given sampling period. The duration of the implementation (the time of reception of the signal in each of the periods of reception) is set to the same, it is advisable to eliminate the effects of unsteadiness of at least three periods of modulation (manipulation) of the emitted radio signal source.

Процессы аналого-цифрового преобразования радиоприемных устройств 3 всех пунктов приема синхронизуют с помощью синхросигналов навигационных приборов 4 (выход 1 навигационного прибора - вход 2 радиоприемного устройства).The processes of analog-to-digital conversion of radio receivers 3 of all receiving points are synchronized using the clock signals of navigation devices 4 (output 1 of the navigation device - input 2 of the radio receiver).

По выходу 2 навигационного прибора 4 получают результаты измерения навигационных параметров: собственные координаты пункта приема и параметры вектора скорости движения в виде линейной скорости на момент приема радиосигналов и курса движения.On the output 2 of the navigation device 4, the measurement results of the navigation parameters are obtained: the own coordinates of the receiving point and the parameters of the velocity vector in the form of linear velocity at the time of reception of the radio signals and course of movement.

Прием радиосигналов выполняют с периодичностью не менее длительности реализации и исходя из ограничения пропускной способности аппаратуры передачи 5 и приема 7 данных, взаимосвязанных через радиоканал (выход аппаратуры 5 - вход 1 аппаратуры 7).The reception of radio signals is performed with a frequency of at least the duration of implementation and based on the limitation of the throughput of the transmission equipment 5 and reception of 7 data interconnected via the radio channel (equipment output 5 - input 1 of equipment 7).

Аппаратура приема данных 7 многоканальная по числу пунктов приема 1.1-1.N. По ее 1 выходу на последующую обработку в измерители 10, 11 центрального пункта обработки 6 поступают отсчеты принятых радиосигналов, а по 2 выходу - навигационные параметры на вход 1 блока расчета частоты и задержки 8. По выходу 1 этого блока выдают расчетные значения запаздывания, а по выходу 2 - доплеровских сдвигов частот.The equipment for receiving data 7 is multi-channel by the number of points of reception 1.1-1.N. Counters of received radio signals are received on its first output for subsequent processing in meters 10, 11 of the central processing point 6, and on the second output - navigation parameters to input 1 of the frequency and delay calculation unit 8. Upon output 1 of this block, the calculated delay values are output, and according to output 2 - Doppler frequency shifts.

В вариантном исполнении возможно применение ретрансляции принятых радиосигналов с установкой на центральном пункте многоканального (по числу пунктов приема) цифрового радиоприемного устройства.In an embodiment, it is possible to use relaying of received radio signals with the installation of a multi-channel (in the number of receiving points) digital radio receiver at the central point.

Перед началом непосредственного функционирования системы, аналогично принятому в аналоге, определяют рабочую зону, которую квантуют с шагом квантования, определяемым из условия обеспечения требуемой инструментальной точности, и заносят координаты квантов, как места возможного положения источника излучения, в запоминающее устройство рабочей зоны 9.Before the direct functioning of the system begins, similarly to that adopted in the analogue, the working area is determined, which is quantized with a quantization step determined from the conditions for ensuring the required instrumental accuracy, and the coordinates of the quanta, as the places of the possible position of the radiation source, are entered into the storage device of the working area 9.

Принцип последующего функционирования системы радиоконтроля состоит в следующем.The principle of subsequent operation of the radio monitoring system is as follows.

В каждом из периодов приема на центральном пункте обработки 6 выполняют следующие действия.In each of the reception periods at the central processing point 6, the following actions are performed.

В блоке расчета 8 по измеренным навигационным параметрам (вход 1 блока) и данным ЗУ рабочей зоны 9 (вход 2 блока 8) рассчитывают доплеровские сдвиги частот и взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн из мест возможного положения источника в пункты приема с учетом их измеренных собственных координат и параметров вектора скорости.In the calculation block 8, the Doppler frequency shifts and the mutual delays of the moments of arrival of electromagnetic waves from the places of the possible position of the source to the receiving points, taking into account their measured proper coordinates, are calculated according to the measured navigation parameters (input 1 of the block) and the data of the memory of the working area 9 (input 2 of the block 8) and parameters of the velocity vector.

Для математического описания процедуры расчета введем следующие обозначения:

, V_n, ψ_n - собственные координаты, линейная скорость движения, курс носителя n-го пункта приема, n=1, 2, …, N-1 - номер пункта приема, N - общее число пунктов приема в системе. Точка над величиной здесь и далее обозначает ее комплексный характер. Собственные координаты пунктов приема представлены на плоскости

, где Y_n, X_n - ордината и абсцисса пункта приема в декартовой системе координат, i - мнимая единица. Курс ψ_n определим как угол в радианах по часовой стрелке от оси ординат до вектора скорости (направления движения). Координаты мест возможного местоположения источника представим в виде

, где x_w, y_w - абсцисса и ордината w-го кванта в декартовой системе координат, w=0,1,…,W-1 - номер кванта, W - общее число квантов.For the mathematical description of the calculation procedure, we introduce the following notation:

, V _n , ψ _n - own coordinates, linear speed, carrier course of the n-th reception point, n = 1, 2, ..., N-1 - the number of the reception point, N - the total number of reception points in the system. The point above the value hereinafter denotes its complex nature. Own coordinates of points of reception are presented on the plane

, where Y _n , X _n are the ordinate and abscissa of the receiving point in the Cartesian coordinate system, i is the imaginary unit. The course ψ _{n is} defined as the angle in radians clockwise from the ordinate axis to the velocity vector (direction of motion). The coordinates of the places of the possible location of the source are presented in the form

, where x _w , y _w is the abscissa and ordinate of the wth quantum in the Cartesian coordinate system, w = 0,1, ..., W-1 is the number of the quantum, W is the total number of quanta.

С учетом введенных обозначений и взаимосвязи расчетных параметров с навигационными параметрами и координатами мест возможного местоположения источника, взаимные запаздывания моментов прихода электромагнитных волн и доплеровские сдвиги частот из указанных мест рассчитывают по формулам, соответственноTaking into account the introduced notation and the relationship of the calculated parameters with the navigation parameters and the coordinates of the places of the possible location of the source, the mutual delays in the moments of arrival of electromagnetic waves and Doppler frequency shifts from these places are calculated by the formulas, respectively

где C=3·10⁸ м/с - скорость света, λ - длина волны излучения, arg(·) - аргумент комплексного числа заключенного в скобки (фаза комплексного вектора).where C = 3 · 10 ⁸ m / s is the speed of light, λ is the radiation wavelength, arg (·) is the argument of the complex number enclosed in brackets (phase of the complex vector).

Одновременно с расчетными операциями (1), (2) в измерителях 10, 11 измеряют энергию принятых радиосигналов, определяют среднее геометрическое энергии для различных пар радиосигналов (в измерителе 10) и измеряют (в измерителе 11) значения модуля комплексных взаимных корреляционных функций различных пар радиосигналов в точках расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частот (1), (2).Simultaneously with the calculation operations (1), (2), the energy of the received radio signals is measured in meters 10, 11, the geometric mean energy is determined for various pairs of radio signals (in meter 10), and the module values of complex mutual correlation functions of various pairs of radio signals are measured (in meter 11) at the points of the calculated delays and Doppler frequency shifts (1), (2).

Максимальное число пар радиосигналов определяется числом сочетании из количества пунктов приема по два: K=N·(N-1)/2. Однако для сокращения числа операций без значительного влияния на точность число пар может быть уменьшено до K=N-1 с реализацией принципа обработки относительно опорного пункта приема, целесообразно относительно пункта с максимальной энергией принятого радиосигнала. Далее для упрощения изложения (однако, без потери общности) рассматривается именно такой вариант с опорным первым пунктом приема.The maximum number of pairs of radio signals is determined by the combination of the number of points of reception in two: K = N · (N-1) / 2. However, to reduce the number of operations without significantly affecting the accuracy, the number of pairs can be reduced to K = N-1 with the implementation of the processing principle with respect to the reference receiving point, it is advisable with respect to the point with the maximum energy of the received radio signal. Further, to simplify the presentation (however, without loss of generality), we consider just such an option with a support first reception point.

Энергию принятых радиосигналов получают в измерителе энергии 15 фиг.2 суммированием квадратов отсчетов принятых радиосигналовThe energy of the received radio signals is obtained in the energy meter 15 of figure 2 by summing the squares of the samples of the received radio signals

где U_t,n - отсчет радиосигнала принятого в n-м пункте приема, t=0,1,…,T-1 - номер отсчета при общем, на длительности реализации, количестве Т.where U _{t, n} is the countdown of the radio signal received at the nth reception point, t = 0,1, ..., T-1 is the count number for the total, on the implementation duration, amount T.

Значения энергии (3) запоминают в ОЗУ 16, после чего считывают значение энергии сигналов различных пар пунктов приема и определяют в устройстве 17 среднее геометрическое энергии каждой парыThe energy values (3) are stored in RAM 16, after which the energy value of the signals of various pairs of points of reception is read and the geometric mean energy of each pair is determined in the device 17

где k=1,…,N-2 - номер пары пунктов приема.where k = 1, ..., N-2 is the number of the pair of points of reception.

Измерение модуля комплексных взаимных корреляционных функций выполняют для каждой точки возможного положения излучателя

путем компенсации в принятых радиосигналах расчетных параметров (1), (2) и, затем, оценки корреляции.The measurement of the module of complex mutual correlation functions is performed for each point of the possible position of the emitter

by compensating the calculated parameters (1), (2) in the received radio signals and then correlation estimates.

Для этого в измерителе взаимной корреляции 11 первоначально компенсируют доплеровский сдвиг частоты. Для чего (см. фиг.3) в формирователе сигнала 19 формируют компенсационный сигнал на расчетной (2) частоте Доплера

, где Tp - длительность реализации (число отсчетов T, умноженное на период дискретизации), и в умножителе 18.1 умножают компенсационный сигнал на принятый радиосигнал. Затем переходят в частотную область представления сигналов и в блоке 20 выполняют дискретное преобразование Фурье полученного произведения сигналовFor this, the cross-correlation meter 11 initially compensates for the Doppler frequency shift. Why (see Fig. 3) in the signal shaper 19 form the compensation signal at the calculated (2) Doppler frequency

, where Tp is the implementation duration (the number of samples T times the sampling period), and in the multiplier 18.1, the compensation signal is multiplied by the received radio signal. Then go to the frequency domain of the signal representation and in block 20 perform a discrete Fourier transform of the obtained product of the signals

где f=0,1,…,F-1 - номер коэффициента Фурье при общем количестве F=T/2.where f = 0,1, ..., F-1 is the number of the Fourier coefficient for the total number F = T / 2.

Наиболее эффективно преобразование (5) выполняется методом быстрого преобразования Фурье при числе отсчетов T в реализации кратном два в степени целого числа.The most efficient transformation (5) is performed by the fast Fourier transform method with the number of samples T in the implementation that is a multiple of two to the power of an integer.

В формирователе спектра 19 формируют спектр компенсационного сигнала на расчетной (1) задержке

, умножают в умножителе 18.2 его на результат предыдущего преобразования (5) и, завершая компенсационные преобразования, на выходе умножителя 18.2 получают и запоминают в ОЗУ 20 спектр принятого радиосигнала после компенсации расчетных (1), (2) параметров:In the shaper spectrum 19 form the spectrum of the compensation signal at the estimated (1) delay

, multiply it in the multiplier 18.2 by the result of the previous transformation (5) and, completing the compensation transformations, at the output of the multiplier 18.2 receive and store in the RAM 20 the spectrum of the received radio signal after compensating the calculated (1), (2) parameters:

После чего в корреляторе 21 с применением ОЗУ 20 в порядке соответствующем процессу определения среднего геометрического энергии (4) получают значение модуля комплексной взаимной корреляционной функций различных пар радиосигналов в точке расчетных запаздываний и доплеровских сдвигов частотThen, in the correlator 21 using RAM 20 in the order corresponding to the process of determining the geometric mean energy (4), the module value of the complex mutual correlation functions of various pairs of radio signals at the point of calculated delays and Doppler frequency shifts is obtained

Звездочка сверху справа величины обозначает операцию ее комплексного сопряжения.An asterisk from the top right of the value indicates the operation of its complex conjugation.

С учетом симметрии частотно-временных преобразований порядок измерения модуля комплексных взаимных корреляционных функций может быть изменен: первоначально компенсируют задержку в частотной области, затем переходят к временному представлению с компенсацией доплеровского сдвига и преобразованием (7) во временной области. Учитывая дискретный характер представления сигналов, операции компенсации расчетных параметров могут быть выполнены и непосредственно сдвигом отсчетов принятого сигнала и отсчетов спектра на расчетное число дискрет запаздывания и доплеровского сдвига. При этом, однако, предъявляются высокие требования к частоте дискретизации и разрешающей способности спектрального анализа.Taking into account the symmetry of the time-frequency transforms, the measurement order of the module of complex mutual correlation functions can be changed: initially, the delay in the frequency domain is compensated, then they are transferred to the time representation with Doppler shift compensation and transformation (7) in the time domain. Given the discrete nature of the representation of signals, the operation of compensating the calculated parameters can also be performed directly by shifting the samples of the received signal and the samples of the spectrum by the estimated number of discrete delays and Doppler shifts. At the same time, however, high demands are made on the sampling rate and resolution of the spectral analysis.

Для получения совокупности значений (7) для всех W мест возможного положения излучателя считывание отсчетов принятых радиосигналов с выхода 1 аппаратуры приема данных 7 и их обработку в измерителе 11 фиг.1 выполняют многократно (W раз, для каждого из квантов w) или, для ускорения процесса обработки, распараллеливают элементы измерителя взаимной корреляции 11.To obtain the set of values (7) for all W places of the possible position of the emitter, reading the samples of the received radio signals from the output 1 of the data receiving apparatus 7 and processing them in the meter 11 of Fig. 1 is performed repeatedly (W times, for each of the quanta w) or, to accelerate the processing process, parallelize the elements of the cross-correlation meter 11.

После получения полной W совокупности (7) значений модуля комплексной взаимной корреляционной функций различных пар радиосигналов и среднего геометрического энергии каждой пары (4) в устройстве вычитания 12 получают разностиAfter obtaining the complete W set (7) of the values of the module of the complex cross-correlation functions of various pairs of radio signals and the geometric mean energy of each pair (4) in the subtraction device 12 get the difference

которые усредняют в блоке усреднения 13 по совокупности пар радиосигналов, определяя среднее арифметическое, для шумов приема постоянной интенсивностиwhich average in the averaging block 13 over the totality of the pairs of radio signals, determining the arithmetic mean for reception noise of constant intensity

или определяя среднее геометрическое, в случае переменной по точкам трассы интенсивности шумаor determining the geometric mean, in the case of a variable along the points of the path, the noise intensity

В совокупности величины γ_w представляют собой мгновенную (по результатам текущего периода приема радиосигналов) функцию пространственной неопределенности источника излучения.Together, the values of γ _w represent the instantaneous (according to the results of the current period of reception of radio signals) function of the spatial uncertainty of the radiation source.

По совокупности периодов приема радиосигналов в процессе движения пунктов приема при каждом очередном приеме выполняют действия, описываемые соотношениями (1)-(10).Based on the totality of the periods of receiving radio signals during the movement of the points of reception, at each subsequent reception, the actions described by relations (1) - (10) are performed.

Для удобства последующего изложения изменим обозначение величин γ_w, введя указание номера j=1,2…J периода приема, при которых они получены γ_w,j, где J - общее число периодов обзора (и измерений) за время движения приемных пунктов.For the convenience of the following presentation, we change the notation of the quantities γ _w by introducing the number j = 1,2 ... J of the reception period for which they were obtained γ _{w, j} , where J is the total number of review periods (and measurements) during the movement of the receiving points.

Дополнительно в блоке усреднения 13 значения функции пространственной неопределенности для каждого из мест возможного положения излучателя усредняют по совокупности всех предшествующих периодов приема, в частности для варианта (9) по правилу среднего арифметическогоAdditionally, in the averaging block 13, the values of the spatial uncertainty function for each of the places of the possible position of the emitter are averaged over the totality of all previous reception periods, in particular for option (9) according to the arithmetic mean rule

Таким образом, образуется текущая, за все время наблюдения функция пространственной неопределенности (11). Она представляет собой результаты усреднения разностей вида (8) по совокупности различных пар радиосигналов и периодов приема.Thus, the current, for the entire time of observation, function of spatial uncertainty is formed (11). It represents the results of averaging differences of the form (8) over the totality of different pairs of radio signals and reception periods.

На заключительном этапе обработки в устройстве определения минимума 14 определяют местоположение источника радиоизлучения как положение минимума текущей (11) функции неопределенности:At the final stage of processing, the location of the minimum radiation source is determined in the device for determining the minimum 14 as the minimum position of the current (11) uncertainty function:

Соответствующие этому положению минимума

координаты возможного местоположения источника, поступающие с выхода ЗУ рабочей зоны 9 по входу 2 устройства определения минимума 14, выдают на выход 2 устройства 14 определения минимума и системы радиоконтроля в целомCorresponding to this minimum position

the coordinates of the possible location of the source, coming from the output of the memory of the working area 9 at the input 2 of the device for determining the minimum 14, give the output 2 of the device 14 for determining the minimum and the radio monitoring system as a whole

Эффективность изобретения выражается в расширении области применения известного способа на случай произвольного числа пунктов приема и интервалов времени движения с увеличением точности определения координат. Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования, для следующих условий.The effectiveness of the invention is expressed in expanding the scope of the known method for the case of an arbitrary number of points of reception and time intervals of movement with an increase in the accuracy of determining the coordinates. The quantitative assessment was performed by simulation, for the following conditions.

Исследовалась система радиоконтроля, содержащая N=3 подвижных пункта приема, начальное положение которых на плоскости в декартовых координатах (x, y) показано на фиг.4 жирными точками, первый пункт приема - крайний слева.We studied a radio monitoring system containing N = 3 mobile receiving points, the initial position of which on the plane in Cartesian coordinates (x, y) is shown in Fig. 4 by bold dots, the first receiving point is the leftmost one.

Движение носителей пунктов приема выполняется по эллиптической траектории с соотношением полуосей, соответствующим золотому сечению. Кружками на фиг.4 указано местоположение первого пункта приема на маршруте движения в последовательные периоды приема с интервалом 10 с. Движение всех объектов происходит по часовой стрелке со средней скоростью 108 км/час и постоянной угловой скоростью относительно центра эллипса. Очевидно, что при этом линейная скорость движения изменяется с уменьшением в точках разворота (крайние левые и правые точки маршрута) и увеличением в последующем.The movement of the carriers of the points of reception is carried out along an elliptical trajectory with a ratio of semiaxes corresponding to the golden ratio. The circles in Fig. 4 indicate the location of the first pick-up point on the route of traffic in successive periods of reception with an interval of 10 s. The movement of all objects occurs clockwise with an average speed of 108 km / h and a constant angular velocity relative to the center of the ellipse. Obviously, in this case, the linear speed of the movement changes with a decrease in the turning points (extreme left and right points of the route) and an increase in the subsequent.

Положение источника излучения указано плюсиком. Рабочая зона системы установлена в виде круга радиусом Rs=1000 м с центром в месте размещения источника излучения. Мелкими точками отмечены результаты квантования рабочей зоны по закону спирали Архимеда, то есть с увеличением плотности точек квантования к центру рабочей зоны. Минимальный шаг квантования 2,5 м, общее число квантов W=400. Квантование рабочей зоны выполнено по формуле:

.The position of the radiation source is indicated by a plus sign. The working area of the system is installed in the form of a circle with a radius of Rs = 1000 m centered at the location of the radiation source. Small dots indicate the quantization of the working area according to the law of the Archimedes spiral, that is, with an increase in the density of the quantization points towards the center of the working area. The minimum quantization step is 2.5 m; the total number of quanta is W = 400. Quantization of the working area is performed according to the formula:

.

Имитировалось излучение на несущей частоте 1 ГГц сигнала с синусоидальной частотной модуляцией частотой 2 КГц, девиацией частоты 25 КГц, случайной в различные периоды приема-измерения фазой модулирующей функции и распределением ее по равномерному закону. Ослабление уровня сигнала установлено по квадратичному закону, в зависимости от расстояния от источника до пункта приема. Длительность реализации принимаемого сигнала 2,6 мс, период дискретизации 5 мкс. Таким образом, число отсчетов сигнала на длительности реализации составляет T=512, то есть равно два в степени 9, общее число периодов приема-измерения за все время движения по маршруту составляет J=76.Emulated radiation at a carrier frequency of 1 GHz signal with a sinusoidal frequency modulation frequency of 2 KHz, a frequency deviation of 25 KHz, random at different periods of the reception-measurement phase of the modulating function and its distribution according to uniform law. The attenuation of the signal level is established according to a quadratic law, depending on the distance from the source to the point of reception. The implementation duration of the received signal is 2.6 ms, the sampling period is 5 μs. Thus, the number of samples of the signal on the implementation duration is T = 512, that is, equal to two to the power of 9, the total number of reception-measurement periods for the entire duration of the route is J = 76.

К принимаемым радиосигналам примешивался аддитивный гауссовский шум постоянной и одинаковой для всех пунктов приема интенсивности из расчета обеспечения отношения сигнал/шум (амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума в полосе приема 100 КГц) равным 3 в первом пункте приема при размещении его на исходной позиции.Additive Gaussian noise was mixed with the received radio signals at a constant and the same intensity for all receiving points of the calculation of the signal-to-noise ratio (signal amplitude to the mean square noise value in the reception band of 100 KHz) equal to 3 in the first reception point when placing it at the initial position.

Амплитудный спектр G(f) принятого первым пунктом приема радиосигнала в исходной позиции показан на фиг.5, заметно наличие шума приема.The amplitude spectrum G (f) of the first received radio signal receiving point at the starting position is shown in FIG. 5, the presence of receiving noise is noticeable.

Изменение частоты Доплера Fd_j в различных периодах j приема-измерения при движении по маршруту первого пункта приема показано на фиг.6. Для принятых условий максимальное значение частоты Доплера не превышает 100 Гц, необходимое в способе-прототипе высокоточное измерение таких отклонений частоты при несущей частоте 1 ГГц, проблематично, особенно с учетом одновременного наличия запаздывания сигнала.The change in the Doppler frequency Fd _j in various periods j of the reception-measurement when moving along the route of the first receiving point is shown in Fig.6. For the adopted conditions, the maximum value of the Doppler frequency does not exceed 100 Hz, the high-precision measurement of such frequency deviations at the carrier frequency of 1 GHz required in the prototype method is problematic, especially taking into account the simultaneous presence of signal delay.

При определении координат источника использовались принципы обработки относительно опорного пункта приема с максимальной энергией принятого радиосигнала и со среднеарифметическим (9) усреднением функции пространственной неопределенности.When determining the coordinates of the source, the principles of processing with respect to the reference point of reception with the maximum energy of the received radio signal and arithmetic mean (9) averaging of the spatial uncertainty function were used.

На фиг.7 показано изменение линейной ошибки определения координат предлагаемым способом по маршруту движения в моменты j-го приема-измерения. Линейная ошибка определяется по формуле:

, где

- истинные координаты источника радиоизлучения. Ступенчатое (а не плавное) понижение погрешности Δ_j по мере движения по трассе (увеличения j) обусловлено квантованием рабочей зоны с не нулевым шагом.Figure 7 shows the change in the linear error of determining the coordinates of the proposed method along the route of motion at the moments of the j-th receiving-measurement. The linear error is determined by the formula:

where

- the true coordinates of the source of radio emission. A stepwise (rather than smooth) decrease in the error Δ _j as it moves along the track (increase j) is due to quantization of the working area with a non-zero step.

Видно, что изначальная погрешность, превышающая 500 м, с момента j=20 (25% всей трассы) не превышает 100 м, снижаясь в последующем до 50 м j>45 и уменьшаясь практически к нулю к концу маршрута (j>70).It can be seen that the initial error exceeding 500 m from the moment j = 20 (25% of the entire route) does not exceed 100 m, subsequently decreasing to 50 m j> 45 and decreasing almost to zero towards the end of the route (j> 70).

Моделирующая программа разработана в системе Mathcad, имеется у авторов и патентообладателя.The modeling program was developed in the Mathcad system and is available to the authors and patent holder.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает определение местоположения источника радиоизлучения при произвольном числе пунктов приема и интервале времени движения с обеспечением потенциальной точности определения координат не достижимой в способе-прототипе и известных аналогах.Thus, the proposed technical solution provides the determination of the location of the source of radio emission for an arbitrary number of points of reception and the time interval of movement with the potential accuracy of determining the coordinates is not achievable in the prototype method and known analogues.

Claims

A method for determining the location of a source of radio emission, including periodically receiving radio signals of a source at the same time in at least two spatially separated mobile receiving points, synchronously measuring the eigen coordinates and parameters of the velocity vector, followed by their transmission and received radio signals to a central point and determining the location of the source of radio emission characterized in that at a central point in each of the reception periods, Doppler frequency shifts and mutual delays of the moments of arrival of electromagnetic waves from places of the possible position of the source to the receiving points, taking into account their measured eigen coordinates and velocity vector parameters, measure the energy of the received radio signals, determine the geometric mean energy for various pairs of radio signals, measure the values of the module of complex mutual correlation functions at the points of the calculated delays and Doppler frequency shifts, which are subtracted from the geometric mean energy, then the total of different pairs of rad osignalov and reception periods are averaged and the difference obtained by minimizing these averaged values determine the location of the radio source.