Устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве постов пеленгации

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для обработки информации сети разнесенных в пространстве постов пеленгации (ПП) в частности для обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП при радиомониторинге сигналов источников радиоизлучений коротковолнового диапазона частот. Сущность объекта заключается в том, что в известное устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП, содержащее последовательно соединенные модуль управления, кодер команд, модуль приема и передачи данных, декодер сигналов ПП, цифровой сигнальный процессор и модуль картографирования и индикации, причем второй выход модуля управления соединен с вторым входом модуля картографирования и индикации, а второй выход декодера сигналов ПП через модуль весовой обработки подключен к второму входу цифрового сигнального процессора и к третьему входу модуля картографирования и индикации, введен дифференциатор оценки дальности ПП до источника радиоизлучений, вход которого подключен к выходу цифрового сигнального процессора, а выход соединен с вторым входом модуля весовой обработки, при этом антенный вход модуля приема и передачи данных является информационным входом, а вход модуля управления - входом внешних команд устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП. Введенные существенные признаки позволяют повысить точность определения координат источников радиоизлучений в дальней зоне пеленгации.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для обработки информации постов пеленгации (ПП), в частности для обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП при радиомониторинге сигналов источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (КВ) диапазона частот.

Современные системы связи широко используют КВ диапазон частот, обеспечивающий надежность связи, минимальную зависимость от условий окружающей среды и рельефа местности, дальность, высокую помехоустойчивость [1].

Определение координат ИРИ КВ диапазона является важной задачей радиомониторинга [2, с. 374], в частности при необходимости принятия решения о мерах реагирования при обнаружении сигналов ИРИ, в том числе кратковременных сигналов подвижных ИРИ (авиация, морской флот, автотранспорт, сигналы автоматического установления связи между корреспондентами - ALE). При радиомониторинге сигналов в дальней зоне наиболее эффективным является триангуляционное местоопределение ИРИ, для реализации которого используется сеть ПП (несколько ПП, разнесенных на значительной территории).

Территориально устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП может быть размещено на пункте радиомониторинга сигналов или на одном из ПП сети.

Точность местоопределения ИРИ в дальней зоне радиомониторинга зависит от эффективности работы устройства обработки информации, полученной от сети разнесенных в пространстве ПП (координаты ПП, значение полученного пеленга, величина СКО - среднеквадратической ошибки каждого ПП).

Известно устройство обработки информации разнесенных в пространстве ПП, сущность которого описана в [3, с. 585, 586]. Устройство содержит модуль весовой обработки информации, полученной от ПП, вычислитель и регистратор результирующих данных.

Точность при определении координат с помощью известного устройства низкая, что объясняется необходимостью последовательного определения всех попарных пересечений пеленгов на геосфере с учетом погрешности измерения пеленгов и угла схождения пеленгов в засечке. Зону возможных координат ИРИ оценивают усреднением координат засечек с учетом их веса. С увеличением дальности от каждого ПП до ИРИ разброс значений пеленгов резко увеличивается.

Кроме того, известное устройство обеспечивает низкое быстродействие, так как при принятии решения о мерах реагирования на появление ИРИ приходится производить многократное повторное измерение и отбор пеленгов. С увеличением расстояний от сети ПП до ИРИ, базы пеленгования, точность местоопределения ИРИ снижается, появляются зоны молчания и неопределенности, в которых местоопределение ИРИ проблематично.

Известно устройство обработки информации, получаемой при пеленгации ИРИ с борта летательного аппарата, сущность которого описана в патенте RU 2432580 [4]. Устройство содержит модуль весовой обработки, вычислитель координат ИРИ, модуль картографирования и индикации и модуль программного управления. В составе летательного аппарата имеется пеленгаторная система, приемник, навигационная антенна, спутниковый навигатор, модуль вычисления пеленгов.

Известное устройство позволяет повысить точность измерений в ближней зоне за счет выбора позиций пеленгования, обеспечивающих минимизацию ошибок местоопределения ИРИ.

Однако точность местоопределения ИРИ с помощью известного средства недостаточна при необходимости принятия обоснованного решения о мерах реагирования на сигналы обнаруженного ИРИ. Это связано с тем, что в ходе обработки сигналов учитывается представление земной поверхности в виде плоскости. Но в дальней зоне радиомониторинга сферичность поверхности приведет к искажению координат и, соответственно, к увеличению пространства ошибок [5, с. 259, 260]. Снижение ошибок пеленгования требует многократного повторения измерений, что маловероятно в условиях ограниченного времени излучения.

Быстродействие пеленгования определяется также временем полета летательного аппарата, на котором размещен ПП.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП (пост обработки информации), сущность которого описана в источнике [6] (прототип). Устройство содержит последовательно соединенные модуль управления, кодер команд, модуль приема и передачи данных, декодер сигналов ПП, цифровой сигнальный процессор и модуль картографирования и индикации. Второй выход модуля управления соединен с вторым входом модуля картографирования и индикации, второй выход декодера сигналов ПП через модуль весовой обработки подключен к второму входу цифрового сигнального процессора и к третьему входу модуля картографирования и индикации.

Устройство позволяет по сравнению с другими аналогами значительно повысить точность определения координат ИРИ и быстродействие в дальней зоне радиомониторинга и определить точку, позволяющую принять однозначное решение о мерах реагирования на обнаруженные сигналы, например, путем постановки помех.

Однако полученная оценка координат не совпадает с реальными координатами ИРИ. Это объясняется отсутствием при обработке полученной от ПП информации учета зависимости погрешности определения линий положения от дальности каждого ПП до ИРИ. В результате точность местоопределения в ряде случаев может оказаться недостаточной для определения мер реагирования на такие ИРИ. Это сигнал бедствия судна в открытом океане, сигнал при авиакатастрофе самолета в труднодоступной местности (горы, леса), поиск «черных ящиков» и т.п.

Ошибки местоопределения ИРИ в таких случаях могут привести к неэффективности мер реагирования и к последующим долговременным поискам объекта, подававшего сигнал катастрофы.

Целью создания полезной модели является повышение точности определения координат ИРИ.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП, содержащее последовательно соединенные модуль управления, кодер команд, модуль приема и передачи данных, декодер сигналов ПП, цифровой сигнальный процессор и модуль картографирования и индикации, причем второй выход модуля управления соединен с вторым входом модуля картографирования и индикации, а второй выход декодера сигналов ПП через модуль весовой обработки подключен к второму входу цифрового сигнального процессора и к третьему входу модуля картографирования и индикации, введен дифференциатор оценки дальности ПП до ИРИ, вход которого подключен к выходу цифрового сигнального процессора, а выход соединен с вторым входом модуля весовой обработки, при этом антенный вход модуля приема и передачи данных является информационным входом, а вход модуля управления - входом команд устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП.

Введение нового признака позволяет существенно повысить точность определения координат ИРИ в дальней зоне за счет устранения ошибок, вызванных разбросом значений дальности ПП до ИРИ.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критерию новизны.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП.

Устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП содержит последовательно соединенные модуль 1 управления, кодер 2 команд, модуль 3 приема и передачи данных, декодер 4 сигналов ПП, цифровой сигнальный процессор 5 и модуль 6 картографирования и индикации. Второй выход модуля 1 управления соединен с вторым входом модуля 6 картографирования и индикации. Второй выход декодера 4 сигналов ПП через модуль 7 весовой обработки подключен к второму входу цифрового сигнального процессора 5 и к третьему входу модуля 6 картографирования и индикации.

В устройство введен дифференциатор 8 оценки дальности ПП до ИРИ, вход которого подключен к выходу цифрового сигнального процессора 5, а выход соединен с вторым входом модуля 7 весовой обработки. Антенный вход модуля 3 приема и передачи данных является информационным входом, а вход модуля 1 управления - входом внешних команд устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП.

Устройство функционирует следующим образом.

Внешняя команда на пеленгование ИРИ в заданном районе дальней зоны поступает на модуль 1 управления и через кодер 2 команд подается на модуль 3 приема и передачи данных и далее через систему связи - на каждый ПП. По результатам исполнения команды сигналы каждого ПП, несущие информацию о его координатах, СКО и пеленге ИРИ, поступают на вход модуля 3 приема и передачи данных. Декодер 4 сигналов ПП декодирует полученную информацию и подает в заданной последовательности сигналы на цифровой сигнальный процессор 5 и на модуль 7 весовой обработки.

Местоположение ИРИ на поверхности Земли определяется как точка пересечения с поверхностью Земли главной оси эллипсоида, построенного по результатам пеленгования ИРИ [6]. Географические координаты ИРИ, широта и долгота выражаются через компоненты _x, _y, _z вектора главной оси эллипсоида в прямоугольной декартовой системе координат с началом в центре Земли, осью X, проходящей через точку пересечения начального меридиана с экватором, осью Y, проходящей через точку пересечения меридиана 90° с экватором, и осью Z, проходящей через северный полюс, формулами

Вектор находят в результате построения эллипсоида, задаваемого в выбранной системе координат уравнением

в качестве главной оси этого эллипсоида. Коэффициенты уравнения (2) связаны с векторами измерений n _i=(n_ix, n_iy,n_iz)^T выражениями

а каждый вектор измерения n_i строится по результатам измерения пеленга

как нормаль к плоскости большого круга, образующего линию пеленга на поверхности Земли.

Полученная таким образом оценка координат ИРИ при любом соотношении длин векторов измерений будет лежать внутри многоугольника засечек, образуемого пересечениями линий пеленгов. Но статистически оптимальный выбор длины вектора измерения, минимизирующий дисперсию оценки координат ИРИ, задается соотношением

где k - коэффициент пропорциональности, общий для всех векторов измерения, _i - среднеквадратическая ошибка пеленгования, d_i расстояние от пеленгатора до ИРИ по поверхности Земли, R - радиус Земли.

При использовании прототипа устройства предполагалось, что дальность каждого ПП до ИРИ много больше базы пеленгования b_i (расстояния между пеленгаторами), d_i>>b_i. Это позволяло принять равным все значения d_i и за счет этого резко повысить быстродействие при обработке сигналов и точность пеленгования в дальней зоне. Но при размещении ПП в различных регионах Земли такое предположение становится неприемлемым, то есть d_i становится соизмеримым с b_i, а для отдельных ПП даже возможен результат b _id_i. В этом случае точность местоопределения ИРИ падает.

В предлагаемом устройстве введен дифференциатор 8 оценки дальности, позволяющий по результатам вычислений цифрового сигнального процессора 5 ввести коррекцию в данные модуля 7 весовой обработки.

Оптимальная оценка координат по методу наибольшего правдоподобия [7, с. 617,618] в предположении нормального закона распределения [7, с. 575] ошибок пеленгования должна доставлять минимум функционалу обобщенной квадратичной невязки измерений

где отклонение _i измеренного значения пеленга от истинного направления на точку на геосфере может быть представлено в виде

где _i - единичный вектор нормали к плоскости большого круга i-го пеленга. После подстановки выражения (6) в (5) и преобразований

функционал невязки приводится к квадратичной форме v^TA, где A - информационная матрица местоопределения

- симметричная 3×3 матрица ковариаций векторов измерения

Минимизация квадратичной формы v ^TAv при условии нахождения ИРИ на поверхности земли v ^Tv=R² сводится методом множителей Лагранжа к задаче безусловной минимизации обобщенного функционала '(v):

где - множитель Лагранжа, а после дифференцирования (9) и приравнивания производной к 0 - к задаче о собственных значениях матрицы A

Таким образом, оценка координат ИРИ сводится к задаче (10) нахождения для информационной матрицы A собственного вектора, соответствующего минимальному собственному значению, что эквивалентно нахождению направления главной оси эллипсоида v^TAv=1 - матричной формы записи уравнения (2). При этом (7) является матричной формой записи формул (3) для элементов матрицы A, а из выражения (8) для векторов измерения следует выполнение соотношения (4). Скорректированные данные модуля 7 по шине обратной связи подаются на цифровой сигнальный процессор 5, а результаты местоопределения ИРИ - на модуль 6 картографирования и индикации в соответствии с командой модуля 1 управления.

функционал невязки приводится к квадратичной форме v^TAv, где A информационная матрица местоопределения

- симметричная 3×3 матрица ковариаций векторов измерения

Минимизация квадратичной формы v ^TAv при условии нахождения ИРИ на поверхности земли v ^Tv=R² сводится методом множителей Лагранжа к задаче безусловной минимизации обобщенного функционала '(v):

где - множитель Лагранжа, а после дифференцирования (9) и приравнивания производной к 0 - к задаче о собственных значениях матрицы A

Таким образом, оценка координат ИРИ сводится к задаче (10) нахождения для информационной матрицы А собственного вектора, соответствующего минимальному собственному значению, что эквивалентно нахождению направления главной оси эллипсоида v^TAv=1 - матричной формы записи уравнения (2). При этом (7) является матричной формой записи формул (3) для элементов матрицы , а из выражения (8) для векторов измерения следует выполнение соотношения (4). Скорректированные данные модуля 7 по шине обратной связи подаются на цифровой сигнальный процессор 5, а результаты местоопределения ИРИ - на модуль 6 картографирования и индикации в соответствии с командой модуля 1 управления.

полученные сигналы, в том числе на сигналы бедствия при авариях и катастрофах.

Устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве ПП может быть выполнено с помощью узлов, аналогичных использованным в прототипе. Средства осуществления полезной модели позволяют обеспечить ее промышленную применимость.

Использованные источники

1. Головин В.В., Простое С.П. Системы и устройства коротковолновой связи. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006.

2. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг - задачи, методы, средства. - М; Горячая линия - Телеком, 2010.

3. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. - М.: «Сов. Радио», 1964.

4. Способ определения координат источника радиоизлучений при амплитудно-фазовой пеленгации с борта летательного аппарата. Патент RU 2432580 C1, МПК G01S 1/08, приоритет 03.08.2010.

5. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радиопеленгации. - М.: Радио и связь, 1992.

6. Способ определения координат источника радиоизлучений коротковолнового диапазона. Заявка на изобретение 2012108609/07 (012982) от 06.03.2012.

7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1974.

Устройство обработки информации сети разнесенных в пространстве постов пеленгации, содержащее последовательно соединенные модуль управления, кодер команд, модуль приема и передачи данных, декодер сигналов постов пеленгации, цифровой сигнальный процессор и модуль картографирования и индикации, причем второй выход модуля управления соединен с вторым входом модуля картографирования и индикации, а второй выход декодера сигналов постов пеленгации через модуль весовой обработки подключен к второму входу цифрового сигнального процессора и к третьему входу модуля картографирования и индикации, отличающееся тем, что введен дифференциатор оценки дальности постов пеленгации до источника радиоизлучений, вход которого подключен к выходу цифрового сигнального процессора, а выход соединен с вторым входом модуля весовой обработки, при этом антенный вход модуля приема и передачи данных является информационным входом, а вход модуля управления - входом внешних команд устройства обработки информации сети разнесенных в пространстве постов пеленгации.