Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повышение точности позиционирования источников радиоизлучения (ИРИ) в настоящее время является актуальным направлением и обусловлено множеством практических приложений, таких как поисково-спасательные операции, службы экстренной медицинской помощи, охраны правопорядка, слежения за персоналом, транспортными средствами и др.
В определенных приложениях актуальной и востребованной является задача позиционирования ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности, например, в горах. Сложность позиционирования в условиях высокогорья определяется неравномерностью морфоструктуры местности, что особенно характерно для республики Йемен. Для определения местоположения ИРИ в таких труднодоступных высокогорных областях необходимо решить задачу позиционирования в трехмерном пространстве, которая осложняется, во-первых, невозможностью расположения пунктов приема измерений на одном уровне с ИРИ и, во-вторых, вероятным отсутствием прямой видимости между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями.
Большинство населенных районов Йемена являются горными труднодоступными областями, в которых операторы сотовой связи Йемена не покрывают большую часть территории, что затрудняет реализацию соответствующих сервисов геолокации. Таким образом, задача позиционирования ИРИ в условиях высокогорья республики Йемен является востребованной и актуальной.
Одним из эффективных методов позиционирования является разностно-дальномерный метод (РДМ) (TDOA - Time Difference of Arrival). Для повышения точности позиционирования ИРИ ранее уже было предложено использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В настоящей работе представлены результаты исследований по повышению точности позиционирования в условиях высокогорья с вероятным отсутствием прямой видимости между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями для случая, когда сбор навигационных измерений производится стационарными пунктами приема (ПП) в составе наземного сегмента и подвижными пунктами приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента рассматриваемой системы позиционирования.
Объектом диссертации является система позиционирования источников радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен из стационарных пунктов приема в составе наземного сегмента и подвижных пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента.
Предметом диссертации являются алгоритмы и методы обработки навигационных измерений для позиционирования источников радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен.
Степень разработанности темы. Позиционирование источника радиоизлучения является предметом интенсивных исследований ученых и научных коллективов на протяжении десятков последних лет. На данный момент существует большое количество работ на эту тему, которые можно разделить на три группы.
Первая группа работ рассматривает вопросы позиционирования источника радиоизлучения на плоскости. Например, в работах L. Yang, K.C. Ho, А.А. Грешилова, Г.А. Фокина, Y.T. Chan, Y.C. Cao, J.A. Fang, K. Regina, H. Julian, K. Wolfgang, M. Christian, P. Simon и др. исследованы алгоритмы и методы определения координат источника радиоизлучения на плоскости, но не учтен фактор многолучевого распространения сигналов. Для решения задач настоящего исследования двумерных моделей недостаточно, так как необходимо определить пространственные координаты источника радиоизлучения в горной местности, в том числе в условиях отсутствия прямой видимости. В данной работе разработана математическая и имитационная модели позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема.
Вторая группа работ рассматривает вопросы позиционирования источника радиоизлучения в пространстве с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема, например, работы H.J. Du, J.P. Lee, D.S. Oka, I. Mohammad, N.P. Nadea, Y.S. Soo, D.H. Kim, K. Lee, M.Y. Park, J. Lim, W. Wang, P. Bai, X. Liang, J. Zhang, L. He и др. Однако в этих работах не учитывается фактор многолучевого распространения сигналов и влияние отсутствия прямой видимости между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями на точность позиционирования, что, однако, имеет принципиальное значение при позиционировании в условиях неравномерного рельефа высокогорной местности. В данной работе разработаны и реализованы алгоритм и методики позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема с учетом идентификации и компенсации источников РДМ измерений, полученных в условиях отсутствия прямой видимости.
Работы третей группы посвящены задачам позиционирования источника радиоизлучения в условиях отсутствия прямой видимости на плоскости. В работах М.Р. Wylie, J. Holtzman, Р.С. Chen, L. Cong, W. Zhuang, M.B. Montminy, J. Schroeder, S. Galler, K.Kyamakya, J. Khodjaev, Y. Park, A.S. Malik и др. исследованы методы и алгоритмы идентификации прямой видимости на плоскости в условиях города, однако применимость разработанных алгоритмов требует уточнения для сценария трехмерного пространства с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема. В данной работе разработана математическая и имитационная модель идентификации прямой видимости и компенсации ошибок отсутствия прямой видимости (NLOS - Non-Line of Sight) для позиционирования в условиях высокогорной местности в трехмерном пространстве.
В связи с указанными недостатками имеющихся исследований можно сделать вывод о том, что задача позиционирования источников радиоизлучения в трехмерном пространстве в условиях высокогорья с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема с учетом необходимости идентификации и компенсации источников NLOS измерений полностью не решена. Настоящая работа посвящена разработке, исследованию и реализации алгоритма обработки РДМ измерений для позиционирования ИРИ в условиях отсутствия прямой видимости с использованием БПЛА в трехмерном пространстве.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является повышение точности позиционирования источников радиоизлучения в условиях неоднородного рельефа высокогорья республики Йемен с использованием наземного и воздушного сегментов на основе беспилотных летательных аппаратов.
Для достижения цели необходимо решение следующих основных задач:
исследование топологий стационарных пунктов приема наземного сегмента и их влияния на точность позиционирования ИРИ с учетом подвижных пунктов приема в составе воздушного сегмента; обоснование топологии пунктов приема в составе наземного сегмента;
исследование точности алгоритмов обработки навигационных измерений для позиционирования ИРИ в условиях вероятного отсутствия прямой видимости между ИРИ и одним и/или несколькими пунктами приема; обоснование выбора численного метода решения навигационных уравнений РДМ;
исследование траекторий движения пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента и их влияния на точность позиционирования ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности; обоснование траектории движения пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента;
разработка комплексной имитационной модели системы из стационарных пунктов приема в составе наземного сегмента и подвижных пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента для позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве в условиях отсутствия прямой видимости;
разработка и реализация алгоритма и методик идентификации и компенсации источников РДМ измерений, полученных в условиях отсутствия прямой видимости для позиционирования в условиях высокогорной местности в трехмерном пространстве.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
-
В отличие от существующих систем позиционирования предлагается и обосновывается использование подвижного пункта приема на борту БПЛА с учетом специфики линейной топологии пунктов приема наземного сегмента позиционирования.
-
По-новому учтена специфика сбора и обработки разностно-дальномерных навигационных измерений при движении пункта приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента системы позиционирования.
-
Впервые разработан и реализован алгоритм и методики сравнения дисперсий промежуточных оценок в обрабатываемых наборах и комбинациях пунктов приема с учетом специфики движения БПЛА в условиях высокогорья при отсутствии прямой видимости.
Теоретическая и практическая значимость диссертации. Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
-
Исследованы зависимости геометрического фактора снижения точности позиционировании источника радиоизлучения для разных топологий размещения неподвижных пунктов приема наземного сегмента и траекторий движения подвижного пункта приема. Установлены пределы точности обработки навигационных измерений при позиционировании с добавлением пункта приема на борту БПЛА для линейной топологии.
-
Установлена зависимость точности от траекторий и числа БПЛА в составе воздушного сегмента при позиционировании подвижного и неподвижного источника радиоизлучения.
-
Доказана возможность идентификации источников NLOS измерений при позиционировании в условиях высокогорья с использованием БПЛА.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
-
Предложены варианты размещения неподвижных пунктов приема наземного сегмента по дуговой и пилообразной топологиям при взаимодействии с подвижным пунктом приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента.
-
Разработанные математическая и имитационные модели позволяют оценивать и визуализировать точность позиционирования для разных топологий пунктов приема наземного сегмента и траекторий движения пунктов приема на БПЛА в составе воздушного сегмента. Предложены рациональные комбинированные траектории движения пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента для повышения точности позиционирования.
3) Разработанные алгоритм и методики позволяют идентифицировать и исключить n источников NLOS измерений, если число оставшихся после исключения LOS источников превышает минимально необходимое на 1.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в:
Научно-производственном предприятии «Цифровые радиотехнические системы» (ООО «НПП ЦРТС») при выполнении ОКР по разработке средства контроля характеристик выдерживания высоты воздушными судами на основе информации многопозиционной системы наблюдения (МПСН) “HMU-МПСН” для обеспечения заданной точности измерения высоты воздушных судов.
Программном обеспечении мобильной станции радиоконтроля «ИРГА-М», разработанной в НИЛ радиоконтроля ЭМС СПбГУТ.
Учебном процессе кафедры радиосистем и обработки сигналов СПбГУТ по курсу «Основы радиолокации и радионавигации».
Методология и методы диссертации. Для решения поставленных в диссертации задач использовались численные методы решения навигационных гиперболических уравнений, математическое и имитационное моделирование.
Тематика и область диссертации. Содержание диссертации соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»: п. 4. «Исследование и разработка новых систем и устройств радиолокации с целью увеличения дальности действия, точности и разрешающей способности, повышения помехозащищенности и поме-
хоустойчивости», п. 5. «Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки радиосигналов и извлечения из них информации при воздействии помех. Создание помехоустойчивых систем и устройств. Разработка методов защиты и разрушения информации в системах радиолокации и радионавигации», и п.10. «Разработка методов синтеза и анализа, а также алгоритмов моделирования радиолокационных и радионавигационных систем». Основные положения, выносимые на защиту:
-
Линейная топология наземного сегмента системы позиционирования с дополнительным пунктом приема на БПЛА в составе воздушного сегмента позволяет повысить точность позиционирования источника радиоизлучения более чем в два раза.
-
Математическая и имитационная модели позиционирования ИРИ с использованием БПЛА позволяют учесть и визуализировать специфику сбора и обработки разностно-дально-мерных навигационных измерений при движении пункта приема на борту БПЛА.
-
Алгоритм и методики обработки измерений при позиционировании с использованием БПЛА позволяют идентифицировать и исключить источники NLOS измерений, если число оставшихся после исключения LOS источников превышает минимально необходимое на 1.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается корректным использованием математических методов исследования, результатами имитационного моделирования и непротиворечивостью известным существующим результатам. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: на V, VI и VII международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2018); на конференции десятого всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «наука и инновации в технических университетах» ПОЛИТЕХ (Санкт-Петербург, 2016); на международной конференции «2018 Systems of signals generating and processing in the field of on board communications», MTUCI, (Moscow, Russia, 2018) и на 16-ой и 17-ой международной конференции «Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networking NEW2AN» (St.-Petersburg, Russia, 2016 и 2017).
Личный вклад автора. Все основные научные положения и результаты диссертации разработаны и получены автором самостоятельно.
Публикации по теме диссертации. Материалы, отражающие основные результаты диссертационной работы, опубликованы в сборниках научно-технических конференций, в том числе международных, а также в журналах отрасли. Всего опубликовано 15 работ, из них 6 статей в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 5 статей в зарубежных научно-технических сборниках, индексируемых Scopus (2 в Springer и 3 в трудах IEEE конференций), 4 статьи в журналах, включенных в РИНЦ и тезисы докладов в количестве 3 в материалах научных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы, включающий 91 наименований, список иллюстративного материала, список таблиц и одно приложение. Основная часть диссертации (без приложений) изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунков и 8 таблиц.