На правах рукописи УДК621.396.96

Гельцер Андрей Александрович

ОДНОПОЗИЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ОТ МНОЖЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЬЕФА

И МЕСТНЫХ ПРЕДМЕТОВ

Специальность 05.12.14 – радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государствен-

ный университет систем управления и радиоэлектроники» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Денисов Вадим Прокопьевич (г. Томск, каф. РТС ТУСУРа)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Якубов Владимир Петрович (г. Томск, зав. каф. радиофизики ТГУ) кандидат технических наук Хомич Евгений Васильевич (г. Омск, генеральный директор ООО «Инженерный центр Автоматика»)

Ведущая организация: 3-й Центральный научно-исследовательский институт Министер-ства обороны РФ

Защита состоится «14» марта 2012 года в 15 часов 30 минут на заседании дис-сертационного совета Д.212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 203. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Автореферат разослан «10» февраля 2012 года. Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.286.04 доктор технических наук, профессор Акулиничев Ю.П.

3 Актуальность темы исследований. Разрабатываемый однопозиционный

метод определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ) предна-значен для использования в станциях радиотехнической разведки (РТР).

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

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

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

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

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

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

4 Цель диссертационной работы – разработать метод использования отраже-

ний от множества одиночных и протяженных объектов в условиях пересеченной местности как основу для создания однопозиционной системы РТР сантиметро-вого диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: – разработать однопозиционный метод, использующий для определения ко-

ординат ИРИ множество объектов на трассе РРВ, и оценить его эффективность; – разработать метод выделения отраженных сигналов и определения место-

положения соответствующих им реальных отражателей по экспериментальным данным;

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

– проверить разработанный метод оценки координат ИРИ на реальных трас-сах, оценить точность местоопределения.

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

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

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

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

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

5 Научные положения, выносимые на защиту 1. В сигналах сканирующей импульсной радиолокационной станции, приня-

тых слабонаправленной антенной станции РТР на пересеченных наземных трас-сах, практически всегда имеются переотражения, которые можно отделить от прямого сигнала по времени прихода и измерить пеленг на их источники.

2. Не только точечные, но и распределенные объекты, контуры которых чет-ко определены на карте местности, могут использоваться для определения коор-динат ИРИ по измеряемым пеленгам и задержкам.

3. Однопозиционная станция РТР, измеряющая пеленг по каждому приня-тому сигналу и разность времени прихода между прямым и каждым из множе-ства переотраженных сигналов, позволяет определить дальность до ИРИ по мак-симуму плотности распределения вероятностей оценок дальности, не определяя, от каких именно объектов из имеющихся на карте местности приняты отражен-ные сигналы. На карту местности должны быть нанесены все возможные отра-жатели.

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

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

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы пред-ставлены на XХIII всероссийской научной конференции «Распространение ра-диоволн» (г. Йошкар-Ола, 2011), в сборнике «Доклады ТУСУР» (г. Томск, 2010), на VI международной научно-практической конференции «Электронные сред-ства и системы управления» (г. Томск, 2010), XVI и XV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2010, 2009), в заявке на изобретение № 2010140174 (Роспатент, 2010).

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

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 ра-бот, из них 1 статья в рецензируемом журнале, 11 – в сборниках докладов все-российских и региональных конференций, 1 заявка на изобретение.

6 Личный вклад. Автор диссертации является соавтором заявки на изобрете-

ние, послужившей основой диссертации. Автор участвовал в проведении радио-физических экспериментов в области распространения сантиметровых радио-волн на пересеченных наземных трассах и обработке их результатов. Им лично разработан программный комплекс, позволяющий провести моделирование и проверить осуществимость метода в реальных условиях работы на основании данных радиофизических экспериментов.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

7 ности. Однопозиционная система РТР предполагает прием сигна- лов, отраженных от неровностей рельефа и местных предметов. Чтобы сформулировать тре- бования к энергетическим харак-теристикам приемной аппарату- ры радиотехнических систем, работающих по сигналам, отра- женным от местных предметов, нужно оценить уровень отра-женного сигнала в точке приема. Для этого необходимо знать рас-сеивающие свойства объектов, которые в радиолокации опреде-ляют понятием эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) радиолокационной цели э .

Радиолокационная система, в которой передающее и приемное устройства помещены в разные точки пространства, классифицируется как бистатическая, а ЭПР объекта в такой системе зависит от бистатического угла наблюдения (см. рис. 3). Рассматриваемая однопозиционная система РТР является примером би-статической системы, в которой разведуемый ИРИ облучает отражатель. Ее ра-ботоспособность напрямую зависит от способности станции РТР принять отра-женный сигнал. Поэтому бистатическая ЭПР (БЭПР) отражающих объектов

Б ( ) является одной из важнейших характеристик, которую необходимо учи-тывать при разработке разнесенной радиотехнической системы. Проведенный обзор литературы показал, что зависимость Б ( ) можно условно разделить на

три характерные области: псевдомоностатическую ( 0 5 ) с минимальным

значением Б ( ) ; бистатическую ( 5 140 ) , в которой Б ( ) слабо изменя-ется; область прямого рассеяния ( 140 180 ) , где зависимость Б ( ) резко возрастает. Однако имеющиеся литературные данные содержат информацию о характеристиках БЭПР элементов рельефа местности преимущественно в верти-кальной плоскости, когда приемник и передатчик подняты над исследуемой по-верхностью.

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

Рис. 1. Структурная схема однопозиционной станции РТР

8 Получены соотношения и выполнены расчеты зон видимости с учетом диа-

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

аппаратуры ИРИ и прием-ного пункта, соответству-ющих имеющемуся экспериментальному ком-плексу, на трассах протя-женностью 20 км станция РТР может обнаружить сигналы, отразившиеся от объектов с ЭПР менее 10 м2, если они расположе-ны не более чем в 2 км от ИРИ.

Объекты, расположен-ные в стороне от линии

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

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям возможностей реализации однопозиционной станции РТР, работающей в условиях пересечен-ной местности. Исследования проводились на пяти трассах РРВ протяженно-стью от 13 до 17 км. Схема эксперимента изображена на рис. 3, где передатчик обозначен ,xT а приемник – xR .

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

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

приемного пункта

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

Комплекс обеспечивает цифро-вую регистрацию в приемном пункте квадратурных составляющих сигна-лов, по которым восстанавливаются их амплитуды и разности фаз на вы-ходах пространственно разнесенных антенн. Перевод сигналов в цифро-вую форму осуществляется с шагом по времени 11 нс.

По данным измерений рассчиты-вается пеленг на источник излучения (переизлучения) и регистрируется время приема сигналов в локальной шкале времени по моменту пересече-ния ими порогового уровня. Укруп-ненная схема одного из восьми при-емных каналов приведена на рис. 4.

Рис. 4. Укрупненная структурная схема одного из восьми приемных каналов Обработка записей сигналов, полученных на исследуемых трассах, показала,

что на один излученный импульс ИРИ в среднем приходится от двух до четы-рех отраженных сигналов, разрешае-мых друг относительно друга по вре-мени. Пример зарегистрированной реализации изображен на рис. 5. На нем показан характерный случай, когда за прямым сигналом регистрируется несколько отраженных.

В однопозиционной станции РТР измеряемые параметры сигнала – пе-ленг и разность времени распростране-ния прямого и отраженного сигналов (задержка), должны соответствовать конкретному отражателю. Это означа-ет, что однопозиционный метод место-определения ИРИ реализуем в услови-ях однократного рассеяния.

XT

XR

Пря

мой

сигн

ал И

РИ

Отраж

енны

й сигн

ал ИРИ

RrR

tR

3 см 150 кВтИЗЛP

ИРИ сосканирующейантенной

Фазовый пеленгатор с широкой ДН

Точка отражения сигнала ИРИ

Рис. 3. Схема проведения

экспериментальных исследований на реальных трассах РРВ

Рис. 5. Пример зарегистрированной реализации прямого

и отраженного сигналов

10 Автором разработана методика определения координат отражающих объек-

тов двухпозиционной системой по измеренным пеленгам и задержкам отражен-ных сигналов относительно прямого.

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

X, км а

X, км б

Рис. 6. Снимок местности района расположения передатчика с найденными координатами отражающих объектов:

а – с наложением координат объектов; б – без наложения Рассчитанные координаты отражающих объектов совпадают с действитель-

ными с погрешностью не более 10–20 м. Таким образом, на исследуемых трассах РРВ преобладает механизм однократного рассеяния радиоволн от местных предметов.

Автором разработана методика определения бистатической ЭПР Б ( ) эле-ментов рельефа местности, с помощью которой получены оценки Б ( ) на ис-следуемых трассах РРВ. Зависимости Б ( ) , построенные после обработки экс-периментальных данных с разных трасс, имеют схожий характер и диапазон значений.

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

Y, к

м

Y, к

м

11

-150 -100 -50 0 50 100 150

102

103

104

Угол рассеяния, град

Бист

атич

еска

я Э

ПР,

м2

Трасса №4

Рис. 7. Результаты оценки бистатической ЭПР отражающих объектов

на одной из исследуемых трасс

При 5 , что соответствует псевдомоностатическому случаю, величина

БЭПР лежит в интервале 21 20 м . Увеличение угла рассеяния приводит к резкому возрастанию БЭПР до уровня 1000–10000 м2, что связано с переходом в область прямого рассеяния, характерную для бистатической ЭПР радиолокаци-онных целей.

В четвертой главе описывается предлагаемая методика определения даль-ности до ИРИ однопозиционной станцией РТР с использованием совокупности отражений, когда нельзя точно определить, какие именно объекты на карте яв-ляются действительными отражателями. Каждому отраженному сигналу ИРИ соответствует свое значение пеленга и задержки относительно прямого сигнала. При известных координатах отражающего объекта и задержке даль-ность R до ИРИ можно рассчитать по формуле 22 / 2R d r r (1 cos )r d , где r c , с – скорость распространения радиоволн.

Определив дальность, координаты ИРИ можно найти как ИРИ cosx R ,

ИРИ siny R . Пеленг на ИРИ измеряется в приемном пункте, и для опре-деления координат ИРИ нужно найти только дальность R. Поэтому рассматри-вался алгоритм определения дальности как единственной неизвестной величины. При наличии на карте большого количества объектов любому отраженному сиг-налу можно сопоставить множество объектов, которые могут отразить сигнал ИРИ, – потенциальных отражателей.

Потенциальные отражатели находятся в угловом секторе (рис. 8), центр ко-торого расположен на линии измеренного пеленга , а его угловой раскрыв с вероятностью, близкой к 1, равен 6 , где – среднее квадратическое отклонение (СКО) оценки пеленга аппаратурой станции РТР, определяемое погрешностью измерения пеленга на отражающий объект. В таком случае одно-му отраженному сигналу соответствует множество оценок дальности до ИРИ R,

12 среди которых имеется ее истин-ное значение. При наличии не-скольких отраженных сигналов существует набор множеств, в каждом из которых присутствует истинное значение R.

На основе численного модели- рования показано, что если протя-женный объект представлен в виде контура, заполненного точечными объектами, находящимися в узлах сетки, среди которых присутству-ют действительные отражатели, то дальность до ИРИ можно найти по максимуму ее эмпирической плот-ности распределения вероятностей, полученной по совокупности по-тенциальных отражателей.

Рассмотрим методику оценки дальности до ИРИ. Обозначим ко-

ординаты приемного пункта как Rx , Ry . Координаты местных предметов на рассматриваемом участке местности, занесенные в базу данных, обозначим как набор из векторов-строк 1 2, ,..., Nx x xx и 1 2, ,..., Ny y yy , где N – коли-чество объектов на карте. Теперь найдем вектор α , содержащий значения углов от приемного пункта на каждый местный предмет, занесенный на карту. Вектор α содержит N элементов.

1. В приемном пункте регистрируется прямой сигнал ИРИ и n отраженных сигналов. Для i -го отраженного сигнала (i = 1,…,n) производятся измерения пеленга на отражающий объект i и разности времени распространения прямо-го и отраженного сигналов i .

2. Для каждого измеренного значения i в векторе α находятся номера

элементов k (формально – столбцов, так как вектор состоит из одной строки), значения которых лежат в секторе углов, задаваемом i и величиной углового раскрыва : ( / 2) ( / 2)i k i (см. рис. 8). Номера элементов k

заносятся в вектор 1 2, ,...,i i i imk k kk , где m – число объектов на карте, лежащих

на измеренном направлении / 2i , являющихся потенциальными отража-

телями принятого сигнала. Величина определяется погрешностью измерения пеленга аппаратурой приемного пункта на отражающий объект.

Рис. 8. Геометрические соотношения, использованные при разработке

однопозиционного метода

Действительныйотражатель S

y

ИРИ

Приемный пункт

R

d

l

Потенциальныеотражатели

Объекты, которые могут отразить сигнал ИРИ

x

Протяженныйобъект

13 3. Вычисляется вектор оценок дальности 1 2, ,..,i i i i

mR R RR для i-го отра-

женного сигнала, элементы которого определяются по формуле

22

,2 (1 cos )

i m i im

i m i

d r rR

r d

где i ir c , 2 2

{ } { }i im m R m Rd k x k y x y . Выражение вида { }i

mky озна-

чает выборку из вектора My элемента с номером imk .

4. Повторяя пункты 3–4 для всех отраженных сигналов, получаем набор из n векторов iR . При отсутствии погрешности измерений параметров сигнала и координат отражающих объектов итоговую оценку дальности до ИРИ R

можно

было бы найти по максимуму плотности распределения всех полученных оце-нок, которую можно представить как точку пересечения всех множеств, образо-ванных значениями векторов iR : 1 2 ... iR R R R

, где – операция пере-

сечения. Это эквивалентно нахождению распределения оценок дальности, содержащихся во всех векторах iR , максимум которого и будет истинным зна-чением дальности до ИРИ.

Вследствие влияния ошибок разного рода на результаты измерений все век-торы не пересекутся в точке истинной дальности. Поэтому оценка дальности R становится случайной величиной. Статистическую вероятность того, что все векторы iR пересекутся в точке R , можно оценить как ( ) /P R v l , где v – ко-

личество векторов iR , которые пересеклись в точке R ; l – количество элемен-тов во всех векторах iR .

При нахождении искомого распределения и его максимума строится гисто-грамма оценок дальности, которая в свою очередь является оценкой плотности распределения дальности до ИРИ. Для построения гистограммы составляем из векторов iR один вектор D , содержащий все полученные оценки дальности до ИРИ: 1 2, ,..., iD R R R .

Оценку плотности распределения оценок дальности находим с помощью гистограммы ( )S R : ( ) hist ,S R R D , где R – интервал гистограммы;

hist ... – формальный оператор гистограммы. Оценка дальности определяется

как максимум функции ( )S R : max ( )R S R

. При проверке работоспособности предложенной методики было проведено

моделирование для нескольких случаев – когда на трассе РРВ присутствуют от одного до трех протяженных объектов. Один из них показан на рис. 9, когда на трассе РРВ присутствуют три протяженных объекта, разнесенных друг относи-тельно друга. На том же рисунке показана гистограмма плотности распределе-

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

Расстояние между ИРИ и при-емником составляло R =5 км. Диа-метр объектов № 1–3 равен 3 км, 500 м и 2 км соответственно.

Результаты проверки показали, что в рамках принятой модели предложенная методика позволяет определять дальность до ИРИ, ко-гда на трассе присутствует один или несколько протяженных объек-тов. Однако эти результаты явля-ются частными, так как получены при фиксированном распределении точечных отражателей в протяжен-ных объектах и иллюстрируют

лишь возможность получения оценки дальности R

. Ошибка определения дальности errR зависит от распределения точечных от-

ражателей и их числа относительно общего количества отражающих объектов, входящих в протяженный объект. Для оценки точности предлагаемого метода были рассчитаны статистические характеристики ошибок определения дально-сти при множестве вариантов расположения действительных точечных отража-телей в пределах протяженного объекта, а также при разном их количестве. Ко-личество действительных отражателей задавалось в виде процента от общего количества точечных объектов, образующих один протяженный объект:

( / ) 100 %n N , где n – количество действительно отражающих объектов; N – число всех точечных объектов.

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

1) цены деления сетки , заполняющей контуры протяженного объекта то-чечными отражателями;

2) относительного количества отражателей ; 3) СКО ошибки определения пеленга на действительный отражатель и

СКО ошибки определения разности времени распространения прямого и отра-женного сигналов .

Результаты моделирования показали, что уменьшение шага сетки заполне-ния протяженного объекта уменьшает ошибку определения дальности errR . Например, уменьшение шага сетки в 4 раза ведет к уменьшению относительной

ошибки err /R R в среднем в 3,4 раза, где 2 2err err errRR R ; errR – математиче-

Рис. 9. Нормированная плотность распределения оценок дальности до

ИРИ, когда на трассе присутствуют три протяженных объекта (моделирование)

15 ское ожидание ошибки определения дальности errR ; errR – ее СКО. Относи-тельная ошибка errR R (при СКО погрешности измерения пеленга 0,1

и задержки 60 нс) варьируется от 8 % ( =20 м) до 2,3 % ( = 5 м). В рас-смотренных случаях errR слабо зависит от числа протяженных объектов, участ-вующих в оценке, а зависит только от шага сетки и относительного количе-ства действительных отражателей . При =1 % и наличии одного

протяженного объекта относительная ошибки err /R R равна 4,5 %, а при двух или трех – 3,3 %.

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

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

2) потенциальными отражателями являются только границы протяженных объектов.

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

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

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

Рис. 10. Фрагменты обработанных спутниковых снимков местности района проведения эксперимента: а – результат выделения всех протяженных объектов

(лесные массивы); б – результат выделения границ протяженных объектов

а б

16

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

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

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

местности, а также выполнять все действия по обнаружению прямых и отраженных сигналов, определению их пеленгов, задержек и расчету ко-ординат ИРИ полностью в автомати-ческом режиме.

Для каждой исследуемой трассы РРВ (всего исследовалось пять трасс) была проведена обработка записей сигналов передатчика, извлеченных из цифровой базы данных. С помо-щью порогового метода выделялись прямой и отраженные сигналы. За-тем между ними вычислялись разно-сти моментов обнаружения i и зна-

чения пеленга i . СКО ошибки измерения пеленга аппаратурой экспериментального комплекса со-ставляла 0,1 , а момента обнаруже-

ния сигнала – 60 нс. Результаты обработки были разделены на два случая: случай № 1 – потенциальными отражателями являются все темные точки на

карте (как на рис. 10,а); случай № 2 – потенциальными отражателями являются границы протяжен-

ных объектов (как на рис. 10,б). Эмпирические плотности распределения вероятностей оценок дальности

( )S R для случая № 1 представлены на рис. 12, где вертикальной чертой отме-чена действительная дальность до ИРИ.

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

1) предложенная методика определения дальности до ИРИ оказалась рабо-тоспособной на реальных трассах РРВ;

Рис. 11. Часть сформированной

карты отражающих объектов, находящихся на исследуемых трассах

РРВ

17 2) распределение оценок дальности до ИРИ ( )S R является функцией с не-

сколькими максимумами; 3) для случая № 1 на трассах № 1–4 зависимость ( )S R имеет несколько

максимумов, некоторые из них имеют близкие значения и расположены рядом; 4) использование представления трассы, в котором потенциальными отража-

телями являются все точки на трассе, может привести к неоднозначной оценке дальности, что хорошо видно на рис. 12,г);

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

а б

в г

д

Рис. 12. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятно-стей оценок дальности ( )S R , полученные по экспериментальным данным (случай № 1 – потенциальными отражателями являются все точки на карте)

для трасс № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г), № 5 (д) Исследования показали, что наличие нескольких максимумов в распределе-

нии ( )S R (см. рис. 12) является следствием того, что большинство отраженных сигналов, зарегистрированных в приемном пункте, отразилось от объектов,

18 находящихся за передатчиком. Из-за большой протяженности исследуемых трасс и ограниченной длительности окна регистрации сигналов аппаратурой приемного пункта регистрировались сигналы, которые отражались от части протяженного лесного массива, расположенного за передатчиком.

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

жателей привели к смещению распределения ( )S R и образовали ложные максимумы.

Проведенное численное моделирование подтвердило эти выводы. Использовавшаяся в нем геометрическая модель показана на рис. 13. Сначала рассматривался случай, когда отражатели распределены по краю протяжен-ного объекта, внутри которого нет отражате-лей, то есть присутствует только объект № 1. Затем в модель был введен объект № 2, содер-жащий отражатели и находящийся в стороне от протяженного объекта.

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

а б

Рис. 14. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятностей оценок дальности при наличии одного (а) и двух (б)

протяженных объектов (см. рис. 13)

Из этого рисунка видно, что, когда действительные отражатели расположе-ны только у края протяженного объекта, распределение оценок дальности ( )S R

Рис. 13. Моделирование в

случае, когда большая часть отражателей находится на

границе протяженного объекта за ИРИ

19 не имеет выраженного максимума (рис. 14,а). Когда имеется еще один протя-женный объект, в пределах которого находятся отражатели, в распределении

( )S R появляется четко выраженный максимум и дальность до ИРИ определя-ется с высокой точностью (рис. 14,б). Рассмотренный пример показывает, что прием сигналов ИРИ, отраженных от пространственно разнесенных объектов, позволяет однозначно и точно определить дальность.

По данным радиофизического эксперимента была проведена оценка дально-сти до ИРИ для случая № 2, когда потенциальными отражателями приняты гра-ницы протяженных объектов (см. рис. 10,б). Результаты оценки изображены на рис. 15.

а б

в г

д Рис. 15. Нормированные эмпирические плотности распределения вероятностей

оценок дальности ( )S R , полученные по экспериментальным данным (случай № 2 – потенциальными отражателями являются границы протяженных

объектов) для трасс № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г), № 5 (д) Из зависимостей, представленных на рис. 15, можно сделать следующие вы-

воды:

20 1) использование в предложенной методике границ протяженных объектов

позволяет определять дальность до ИРИ; 2) при использовании границ лесных массивов главный максимум распреде-

ления оценок дальности превышает остальные на 45–50 %; 3) главные максимумы становятся более узкими, чем при использовании

всей площади объектов, что положительно сказывается на точности определения дальности;

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

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

Результаты оценки дальности до ИРИ на реальных трассах РРВ

Трасса R, м Использование всей

площади протяженных объектов

Использование только контуров протяженных

объектов errR , м err /R R , % errR , м err /R R , %

№ 1 16689 601 3,6 221 1,3 № 2 16838 311 1,8 231 1,4 № 3 16857 353 2,1 313 1,8 № 4 16985 285 1,6 205 1,2 № 5 13342 – – – –

Наименьшее значение ошибок имеет место, когда в качестве потенциальных

отражающих объектов используются границы лесных массивов. Очевидно, что такая модель представления потенциальных отражающих объектов является предпочтительной.

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

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

21 Кроме того, должны быть исключены отражающие объекты, имеющие пло-

хой геометрический фактор (или предложен способ его учета). Технические возможности подобного усложнения обработки имеются.

По мнению автора, в диссертации предложен метод однопозиционного опре-деления координат источников радиоизлучения по совокупности отражений ра-диоволн от местности и местных предметов, который с учетом последующей доработки может стать основой создания однопозиционных станций радиотех-нической разведки. Точность местоопределения напрямую зависит от качества используемых карт местности. Полученная экспериментально точность измере-ния дальности 1–2 % сравнима с той, которую обеспечивают традиционные ме-тоды разнесенного приема.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ворошилин Е.П. Использование двухэтапного алгоритма определения ко-ординат в задаче повышения точности пассивной разностно-дальномерной си-стемы местоопределения : доклад, тезисы доклада / Е.П. Ворошилин, А.А. Гельцер // Электронные средства и системы управления. Опыт инноваци-онного развития. – Томск : В-Спектр, 2007. – Ч. 1. – С. 42–45.

2. Ворошилин Е.П. Исследование статистических характеристик оценок ко-ординат источника импульсного сигнала при объединении сигналов в многока-нальной системе / Е.П. Ворошилин, А.А. Гельцер, В.П. Ильченко // Труды Пя-той всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Ульяновского государственного технического университета. – Ульяновск, 2007. – С. 142–144.

3. Гельцер А.А. Экспериментальная оценка двухпозиционной ЭПР границы зимнего лиственного леса / А.А. Гельцер, Н.А. Кузнецова // Труды16-й между-народной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». – Воронеж, 2010.– Т. 3. – С. 1813–1816.

4. Гельцер А.А. Экспериментальная оценка ослабления радиоволн зимним лиственным лесом / А.А. Гельцер, Н.А. Кузнецова // Доклады ТУСУР. – 2010. – № 2 (22). – Ч. 2. – С. 26-28.

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

6. Гельцер А.А. Экспериментальная оценка сезонных особенностей ослаб-ления радиоволн лиственным лесом / А.А. Гельцер, Н.А. Кузнецова // Труды 23-й всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн».– Йошкар-Ола, 2011. – Т. 3. – С. 175–178.

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

22 8. Гельцер А.А. Способ измерения дальности до цели и устройство для его

реализации / А.А. Гельцер, В.П. Денисов, А.А. Мещеряков. – Заявка на изобре-тение № 2010140174. – Роспатент, 2010.

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

10. Денисов В.П. Оценка двухпозиционной ЭПР отражающих объектов на наземных трассах распространения радиоволн / В.П. Денисов, А.А. Гельцер // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР-2009». – Томск, 2009. – Т. 1. – С. 21–24.

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

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

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

23

24

Тираж 100. Заказ № 110. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18.