Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Характеристика международной сети радиоконтроля . 10
1.1. Краткая характеристика МСЭ как исполнительного органа ООН в области электросвязи и организации, создавшей международную сеть радиоконтроля и оперирующей с нею 10
1.2. Структура и организация функционирования МСРК 15
1.3. Использование автоматизированных систем УИРС МСЭ для целей МСРК 21
Выводы к главе 1 24
Глава 2. Физические основы пеленгации 25
2.1. Параметры плоской электромагнитной волны 25
2.2. Простой фазовый пеленгатор. Пеленгационные характеристики 27
2.3. Пеленгатор с широкоапертурной антенной 30
2.4 Двумерные пеленгаторы, гониометр 35
2.5. Процессы в ионосфере, влияющие на точность измерения углов 38
Выводы к главе 2 41
Глава 3. Ошибки определения пеленга 43
3.1. Инструментальные ошибки 43
3.2. Ошибки за счет шумов и шумоподобных помех 45
3.3. Ошибки за счет помех 48
3.4. Ошибки оценки пеленга ионосферного происхождения при триангуляции 49
3.5. Ошибки оценки пеленга ионосферного происхождения при ОМОС 56
Выводы к главе 3 58
Глава 4. Методология определения местоположения 60
4.1. Прокладка пеленга 60
4.2 Оптимальная оценка пеленга 63
4.3. Предлагаемые вычислительные процедуры 69
4.4. Возможности, связанные с применением ОМОС 75
Выводы к главе 4 83
Глава 5. Методика оценки качества сетей пеленгаторов
5.1. Целевая функция для оптимизации сети 5
5.2. Влияние условий распространения на ограничение зон контроля 91
5.2.1. Ограничения при распространении в режиме пространственной волны 91
5.2.2. Ограничения при распространении в режиме поверхностной волны 97
5.3. Применение методики оценки качества сетей пеленгации 98
5.3.1. Оценка качества существующей сети на примере сети МСРКСША 98
5.3.2. Оптимизация существующей сети пеленгаторов на примере России 103
5.3.3. Проектирование развития сети МСРК Африки Выводы к главе 5 118
Глава 6. Совершенствование международной системы спутникового радиоконтроля по выявлению источников непреднамеренных помех 120
6.1 Анализ возможностей существующей международной системы спутникового радиоконтроля 120
6.2. Методы определения местоположения источников помех для спутниковых ретрансляторов 121
6.3. Метод определения местоположения с использованием одного геостационарного спутника 123
6.4. Рекомендации по совершенствованию международной системы спутникового радиоконтроля 126
Выводы к главе 6 128
Заключение 129
Основные результаты работы 133
Список литературы
- Структура и организация функционирования МСРК
- Простой фазовый пеленгатор. Пеленгационные характеристики
- Ошибки оценки пеленга ионосферного происхождения при триангуляции
- Предлагаемые вычислительные процедуры
Введение к работе
Радиосвязь становится неотъемлемой частью повседневной жизни. Она используется как для военных, так и для гражданских целей, в службах безопасности и спасения, для связи с подвижными корреспондентами и для доведения информации широкому кругу потребителей [1]. Службы радиосвязи многочисленны и разнообразны. Для каждой из этих служб требуется участок спектра радиочастот. Однако радиочастотный спектр является ограниченным ресурсом. С вводом новых систем и расширением уже существующих потребность в радиоспектре увеличивается. Одновременно увеличивается вероятность возникновения вредных помех.
Важным фактором полного использования радиоспектра является возможность успешного управления этим процессом. Управление использованием радиоспектра (УИРС) представляет собой сочетание административных, научных и технических процедур, необходимых для эффективной работы различных служб радиосвязи без создания вредных помех.
Радиоконтроль за использованием спектра (который в литературе на русском языке все чаще называется «мониторингом», хотя новый Федеральный Закон «О связи» Российской Федерации [2] оперирует только с термином «радиоконтроль» но не «мониторинг») является неотъемлемой частью процесса УИРС. Даже при работе санкционированных средств не исключено возникновение помех при сложной совокупности обстоятельств, требующих своего выяснения и устранения. Появление же несанкционированных источников излучения представляет значительную опасность, поскольку нарушает принятые принципы использования спектра, нарушает права законных владельцев лицензий и приводит к появлению вредных помех. Отсутствие мер по борьбе с несанкционированным излучением или их недостаточность способствуют неэффективности процедур радиочастотного планирования и способствуют созданию хаоса в эфире.
Необходимость международного сотрудничества в части распределения частотных диапазонов и контроля за соблюдением лицензионных соглашений возникает тогда, когда излучения радиосредств распространяются за пределы национальных границ. Такие ситуации имеют место при пересечении унифицированными радиосредствами национальных границ и, в наибольшей степени, при использовании ВЧ диапазона и спутниковых ретрансляторов.
Международная координация мероприятий по УИРС осуществляется Международным союзом электросвязи (МСЭ). Основой международного контроля излучений является то, что в целях эффективного и экономичного использования радиочастотного спектра и быстрого устранения вредных помех администрации согласились продолжать развивать средства контроля излучений и сотрудничать, по мере возможности, в дальнейшем усовершенствовании международной системы контроля излучений с учетом положений Регламента радиосвязи [3] (Статья 16) и соответствующих Рекомендаций МСЭ-Р [4].
При этом создание научно-технической базы радиоконтроля и поддержание функционирования Международной сети радиоконтроля (МСРК) возложены на Сектор радиосвязи МСЭ (МСЭ-Р), а помощь странам в создании региональных и национальных сетей и средств радиоконтроля - на Сектор развития электросвязи МСЭ (МСЭ-Д) [5], [6]. Руководителем Бюро развития электросвязи - исполнительного органа МСЭ-Д и является автор данной работы.
Как будет показано ниже в Главе 1, в результате специфики формирования МСРК, она, в ее современном виде, далека от какой-либо оптимизации [7], [8]. Средства контроля распределены по регионам чрезвычайно неравномерно, число пеленгаторных станций значительно меньше числа измерительных, технические характеристики оборудования не гармонизированы. Вместе с тем, в настоящее время, в связи с появлением нового поколения более эффективного и относительно дешевого радиоконтрольного оборудования, наметилась четкая тенденция модернизации имеющихся ВЧ радиоконтрольных станций и создания станций контроля спутниковых систем связи не только в развитых, но и в развивающихся странах. Поэтому весьма актуальной представляется задача исследования путей совершенствования технических средств МСРК и повышения ее эффективности с целью выработки соответствующих рекомендаций [8]. Планы развития системы контроля должны обеспечить эффективность предложенных вариантов развития контрольной сети при минимизации стоимости ее создания.
Очевидно, что для выбора лучших вариантов требуется обеспечить возможность их численного сравнения, а для этого должны быть разработаны соответствующие методы получения численных оценок вариантов. Актуальность разработки такого рода методик не вызывает сомнений.
Из совокупности проблем, требующих своего решения, наиболее остро стоит проблема определения местоположения источника излучения в ВЧ диапазоне в ряде регионов мира и в системах, использующих спутниковые ретрансляторы. Кроме того, назрела необходимость в усовершенствовании процедур хранения и обмена информацией в области радиоконтроля. Актуальной остается задача автоматизации радиоконтроля с использованием вычислительных средств. Решению некоторых из этих вопросов и посвящена данная работа.
В представленной диссертации основное внимание уделяется вопросам радиоконтроля в области ВЧ радиосвязи и в области космической связи, то есть тем вопросам, которые в максимальной степени требуют международного сотрудничества.
В главе 1 приведены характеристики международной сети радиоконтроля и основные задачи, которые стоят перед МСРК в настоящее время. Показана структура МСЭ и основные задачи, решаемые МСЭ в части радиоконтроля. Проанализирована МСРК в ее существующем виде и сформулированы основные меры по повышению ее эффективности. Разработаны предложения по использованию автоматизированных систем УИРС МСЭ для сбора и хранения информации в сфере радиоконтроля и предложена структура соответствующей базы данных.
В главе 2 рассмотрены физические принципы пеленгации применительно к ВЧ диапазону. Проанализированы особенности, характерные для этого диапазона, связанные с выбором антенных систем, которые в этом диапазоне имеют значительные размеры, и с приемом сигналов от передатчиков, находящихся на большом удалении и достигающих станции контроля путем отражения от ионосферы.
В главе 3 проанализированы природа и характер ошибок, возникающих при пеленгации в ВЧ диапазоне. Ошибки в этом диапазоне могут носить статистический и методический характер. К статистическим ошибкам измерения угла относятся ошибки шумового характера, а к методическим промахи оператора и боковые отклонения радиолуча.
В главе 4 разработаны методические основы определения местоположения источника радиоизлучения в ВЧ диапазоне. Оценки определения местоположения при объединении результатов измерений пеленгов несколькими пеленгаторами (метод триангуляции) отыскиваются методом максимального правдоподобия. Оцениваются ошибки определения местоположения. Приводится алгоритм, реализующий предлагаемый метод расчета для ПЭВМ. Рассмотрены пути повышения точности метода Определения местоположения одной станцией (ОМОС) за счет коррекции текущих параметров ионосферы с помощью сигналов известных передатчиков.
В главе 5 разработана методика оценки качества сетей пеленгаторов. Предложены варианты целевой функции, определяющей качество сети. Предложена методика учета дополнительных ограничений, накладываемых ионосферными условиями на размеры контролируемой зоны путем расчета пространственно - частотных зон доступности радиоконтролю. Приведены примеры применения методики для оценки качества существующих сетей пеленгации (на примере сетей США и России) и для проектирования новых сетей (на примере сети Африки).
В главе 6 рассмотрены проблемы совершенствования систем спутникового радиоконтроля. Приведены методы локализации земной станции, нарушающей лицензионное соглашение. Даны оценки сложности проблемы и намечены пути обеспечения приемлемой точности оценки координат. Сформулированы предложения по совершенствованию международной системы спутникового радиоконтроля в краткосрочной и долгосрочной перспективах.
Актуальность диссертации заключается в необходимости повышения степени автоматизации процессов УИРС , а также повышения точности и достоверности радиоконтроля, в создании методов оценки качества сетей различной конфигурации, что необходимо для оптимизации проектирования новых и модернизации имеющихся сетей радиоконтроля, включая МСРК.
Объектом исследований являются методические аспекты проектирования и повышения эффективности сетей радиоконтроля.
Целью работы является обновление и систематизация методических основ проектирования и оптимизации сетей радиоконтроля в ВЧ диапазоне в части определения местоположения.
Научная новизна определяется разработкой принципов оптимизации проектирования сетей контроля.
Методы исследования включают применение методов математической статистики, математического моделирования, проведение оценок с помощью процедур Монте-Карло.
Практическая значимость определяется тем, что разработанные автором методы оптимальной оценки определения местоположения по результатам объединения данных, полученных на различных станциях радиоконтроля (СРК), могут быть используются как при разработке проектов создания и развития сетей контроля, так и при объединении данных разовых измерений.
Апробация и публикация результатов работы произведены путем:
• публикации результатов в научной литературе;
• представлением докладов на научных конференциях;
• представлением компьютерной программы «Triangulation", включенной в Каталог компьютерных программ МСЭ и упомянутой в новой редакции «Справочника МСЭ по радиоконтролю», Женева, 2002г;.
• представлением предложений по использованию усовершенствованной Базовой автоматизированной системы УИРС МСЭ (BASMS) на станциях МСРК, вошедших в Спецификации на создание «Расширенной BASMS», разработанных Бюро развития электросвязи МСЭ;
• разработкой силами Бюро развития электросвязи МСЭ плана создания сети радиоконтроля в ВЧ диапазоне для Африканского континента;
• разработкой рекомендаций по оптимизации сети радиоконтроля Российской Федерации в ВЧ диапазоне, обсужденных на международной конференции «Радиомониторинг-2002», Москва, сентябрь 2002г.;
• разработкой новой версии Рекомендации МСЭ-Р 854-1 «Пеленгация на станциях радиоконтроля сигналов ниже 30 МГц».
Структура и организация функционирования МСРК
В соответствии с положениями Статьи 16 Регламента радиосвязи [3] Международная система контроля излучений включает только те станции контроля излучений, которые были назначены для этого администрациям в информации, переданной Генеральному секретарю в соответствии с Рекомендаций МСЭ-Р SM.1139 [14]. Эти станции могут эксплуатироваться администрацией или в соответствии с полномочиями, данными соответствующей администрацией, общественным или частным предприятием, единой службой контроля, учрежденной двумя или более странами, или международной организацией.Для международного взаимодействия каждой администрацией или группой администраций (в тех случаях, когда был установлен совместный контроль) должен быть назначен Централизующий офис, упорядочивающий обмен информацией о результатах контроля. Просьбы о контроле должны быть посланы в Централизующий офис, который затем объединяет данные контроля для передачи в Бюро или другой централизующий офис. В соответствии со Статьей 20 Регламента Радиосвязи, информация относительно таких станций издается МСЭ в Списке станций международного радиоконтроля ( Список VIII), вместе с наименованиями и адресами соответствующих Централизующих офисов.
Список VIII издается МСЭ один раз в пять лет на английском, французском и испанском языках на основе данных, предоставляемых администрациями связи. Последнее издание Списка [15] датировано 2001г.
Информация, опубликованная в Списке VIII, подразделена на 5 секций: Секция А - измерение частоты, Секция В - измерение напряженности поля или плотности потока мощности, Секция С - пеленгация, Секция D - измерения ширины полосы частот и Секция Е - обзор занятости спектра. Каждая СРК отнесена к одной или нескольким секциям, в ряде случав приводятся самые основные данные по оборудованию. В качестве примера на рис. 1.2 приведена копия фрагмента Списка с данными по СРК Белоруссии [15].
В отдельном разделе Списка VIII содержатся сведения по станциям контроля, которые проводят измерения характеристик излучения радиокосмических служб. Технические данные станций спутникового радиоконтроля приведены в несколько более детальной форме.
На рис. 1.3 в обобщенном виде дано графическое изображение распределения станций ВЧ диапазона МСРК по регионам мира по состоянию на 2000г. [15], а на рисі.4 - прирост числа СРК за период1995 - 2000гг. на основе сравнения данных, приведенных в [15] и [16]. К измерительным станциям отнесены те, которые включены во все или некоторые секции А, В, D и Е Списка.
kfb GHJ s ких-зма Рис. 1.2. Формат данных в Списке VIII Анализируя приведенную в Списке VIII информацию о характеристиках МСРК в ее современном виде, можно сделать следующие выводы:
поскольку в состав МСРК входят только те СРК, которые выделены для этой цели национальными администрациями связи, она оснащена разношерстным радиоконтрольным оборудованием различных поколений;
распределение СРК по Земному шару является весьма неравномерным, существуют обширные области, не охваченные радиоконтролем в целом или в части отдельных его функций; МСРК в ВЧ диапазоне достаточно интенсивно развивается, но также весьма неравномерно;
важнейшей функцией МСРК являются радиопеленгация и местоопределение (локация) источников излучений путем триангуляции по результатам пеленгации, поскольку именно эта функция позволяет оценить местонахождение передатчика и отождествить его принадлежность конкретной национальной администрации связи; однако число пеленгационных станций в сети существенно меньше числа измерительных станций, хотя для эффективного функционирования МСРК это должно быть «с точность до наоборот»;
в процессе реализации режима триангуляции в ВЧ диапазоне взаимодействующие СРК, особенно в случае из принадлежности к различным странам, до настоящего времени не были оснащены каким -либо универсальным программным обеспечением, позволяющим провести надлежащую обработку результатов пеленгации с целью повышения точности и достоверности результатов местоопределения;
в рамках МСРК до последнего времени не существовала сколько-нибудь стандартизованная система сбора и хранения информации радиоконтроля, а также система генерирования необходимых служебных форм для целей обмена информацией между СРК различных стран;
в настоящее время лишь шесть СРК во всем мире осуществляют спутниковый контроль в рамках МСРК и только одна из них, станция в Лихейме, Германия, имеет средства определения местоположения земных станций спутниковой связи методом геолокации (см. ниже Главу 6). Прирост числа станций МСРК за период 1995 - 2000 гг. Необходимо также отметить, что комплекс вопросов, связанных с функционированием МСРК, в литературе изучен совершенно недостаточно. Кроме соответствующего раздела в Справочнике по радиоконтролю МСЭ [6] можно лишь указать на работу экспериментального характера [17].
Недостаточно проработаны и вопросы местоопределения в диапазоне ВЧ, что представляет особый интерес для оптимизации МСРК. Проблематике радиопеленгации как таковой посвящено очень большое число работ, в том числе таких фундаментальных, как [18] - [21] и др. (в [21] приведена обширная библиография по радиопеленгации), однако вопросам местоопределения путем триангуляции посвящено уже значительно меньшее число работ. В частности, недостаточно проработаны вопросы оценки погрешности местоопределения при триангуляции в условия наличия статистических и систематических погрешностей пеленгации. Знание параметров эллипса неопределенности местоопределения является весьма важным для оптимизации деятельности подвижных СРК для выявления источников излучений на местах. По вопросам технического планирования и оптимизации сетей радиоконтроля для повышения их эффективности вообще не удалось найти ни одной публикации. Известные публикации, касающиеся планирования радиоконтроля, например [22], в основном посвящены организационным и экономическим проблемам и не рассматривают вопросы технического планирования конфигурации сетей радиоконтроля. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования с тем, чтобы можно было сформулировать научно-обоснованные рекомендации по оптимизацию расположения станций в МСРК или любой другой сети радиоконтроля ВЧ диапазона.
Простой фазовый пеленгатор. Пеленгационные характеристики
Плоская гармоническая электромагнитная волна, бегущая к пеленгатору, может быть записана в виде [36] \Е\ = А es[a t+v где А - амплитудный множитель, задающий энергию и поляризационные характеристики распространяющейся волны. со - круговая частота, t - время, отсчитываемое от произвольного момента времени, принятого за начало отсчета у/ - сдвиг фазы при t = 0. Изменением начала отсчета времени можно добиться требуемого значения начальной фазы.
Амплитудный множитель А представляет собой комплексную векторную матрицу напряженности электромагнитного поля. Для дальнейшего будем считать, что поляризация волны и поляризация приемной антенны совпадают. Степень совпадения поляризаций определяет только энергию наведенного напряжения, но не методику определения направления прихода волны.
Простой фазовый пеленгатор, состоит из двух слабонаправленных антенн, разнесенных на расстояние d (база пеленгатора).
Выберем систему координат в соответствии с рис.2.1 и расположим пеленгатор вдоль оси у, а начало отсчета поместим в середину базы. Тогда координаты 1 и 2 антенны пеленгатора будут, соответственно, равны r2 = (0,f} г2={о-}.
Рассмотрим падение волны, лежащей в плоскости пеленгатора, на пеленгатор. Заметим, что волновой вектор при этом задается в виде к = {к cosa ,-к-sinа}. При падении волны, не лежащей в плоскости пеленгатора, вместо факторов cos a, sin а следует использовать факторы cos /3 cos a, cos /?0 sin а .
Напряжение, наведенное в антеннах, можно выразить в следующем виде (амплитуду напряжения будем считать равной единице, что не уменьшает общности рассмотрения): J[a +4r+k-"Asm.a] j[m+y/-k-d/ sma] U х = Є /z , U 2 = Є 1
Записанные выражения предполагают, что фазы отсчитываются относительно начала координат. Для проведения выкладок удобнее считать, что при приеме сигнала в приемнике пеленгатора реализуется синхронное детектирование, то есть сигнал умножается на е jm (несущая становится равной нулю).
Для определения пеленга применим сумма - разностный метод, который заключается в следующем. Вычисляются суммарное и разностное напряжения
Это отношение (и обратное к нему) можно назвать пеленгационнои характеристикой. Разностный сигнал преобразует разность фаз в амплитуду, определяемую этой разностью фаз. Суммарный сигнал нормирует результат так, чтобы отношение не зависело от амплитуды принимаемого сигнала при флюктуациях уровня сигнала. Тем самым пеленгационная характеристика стабилизируется. Для малых значений базы по сравнению с длиной волны 2л- d С « —— — sin а Л 2 2л d 2п d . а , а величина — - есть крутизна пеленгационнои Л 2 А 2 а = С Кг а Кг характеристики. Если положить Кг = — —, то А 2 Эти выражения можно рассматривать в качестве характеристик пеленгатора с малой базой (рис.2.2). С ростом базы крутизна характеристики (а с ней и точность пеленгации) повышается. Однако возможности увеличения размеров базы ограничены. При длине базы более полуволны отсчет пеленга перестает быть однозначным. Поскольку суммарный сигнал находится в знаменателе пеленгационнои характеристики, то при его уменьшении влияние шумов на результат пеленгования резко увеличивается. Точность определения пеленга катастрофически падает. Обычно этот участок пеленгационнои характеристики не используется: ограничиваются линейным участком.
Для увеличение точности пеленгатора требуется увеличить его базу. При увеличении базы, для сохранения однозначности измерения угла, база пеленгатора заполняется несколькими антенными элементами. Одним из видов антенн данного типа является одномерная эквидистантная фазированная антенная решетка (ФАР). Эффективность применения ФАР достигается тогда, когда раскрыв решетки (ее протяженность) превышает несколько длин волн. ФАР с раскрывом в несколько длин волн называется широкоапертурной. Для рассмотрения принципа работы пеленгатора с ФАР введем систему координат так, как показано на рис.2.3. волновой фронт
Применяя тот же метод анализа, что и ранее, запишем волновой вектор и координаты антенн в выбранной системе координат к = {к-cosа -к-sina} rt = {0,-(/-1) d) (і - номер антенного элемента).
Для временного совмещения напряжений, поступающих с антенн в разные моменты времени, в каждую антенну включаются линии задержки на соответствующее время. Включаемые задержки должны компенсировать разное время прихода волны на разные антенные элементы и совместить складываемые напряжения по их фазе. Схема обработки сигнала в антенной решетке приведена на рис.2.4. (n-l)d JL IL і ы Рис.2.4..Схема суммирования сигнала в ФАР Напряжения, наводимые в каждой антенне и взятые с заданным сдвигом по времени для і-ой антенны, будут иметь вид тт j[co-[t+(i-\)]+y/-k-(i-l)-d-six\a \ Имея в виду, что со = к с , где с - скорость света, получим для показателя экспоненты выражение к с (і -1) х - к d sina. Для того, чтобы при суммировании напряжений, поступающих с антенных элементов, они складывались в фазе необходимо, чтобы фазы складываемых напряжений не зависели от номера антенного элемента, в частности, чтобы эти фазы были бы все равны нулю. Для этого должно выполняться условие d с -г = а sin а или г = — sin а . с Таким образом определяется значение г, которое обеспечивает максимальный уровень сигнала на выходе сумматора, приходящего под углом а к полотну решетки.
Ошибки оценки пеленга ионосферного происхождения при триангуляции
Наибольшие погрешности в оценках пеленга, порой чрезвычайно существенные, могут возникнуть в случае, когда зона приема пеленгатором находится в мертвой зоне наблюдаемого передатчика. Пеленгатор в этом случае принимает наиболее интенсивный сигнал не с направления на передатчик, а из точки рассеяния сигнала ионосферными неоднородностями или поверхностью Земли [58]. Схема возникновения ошибок такого рода приведена на рис.3.4. При этом, в силу изменчивости ионосферы, принимаемый сигнал отличается нестабильностью по азимутальному углу и уровню.
Наиболее мощные сигналы могут приходить с направлений, значительно отличающихся от истинных, вплоть до прихода сигналов с обратного направления.
Существенное влияние на результаты пеленгации могут оказать крупные ионосферные неоднородности типа главного ионосферного провала в северном полушарии [59].
Ошибки, связанные с боковыми отклонениями луча не могут быть оценены теоретически. Их оценка может быть сделана только путем экспериментальных измерений. Общее представление об ошибках этого рода дает анализ, приведенный в [60], где оценены ошибки азимутальных измерений в зависимости от дальности для среднеширотных трасс (рис.3.5).
Как следует из рис.3.5, при уменьшении расстояния между пеленгатором и передатчиком, начиная, примерно, с 500 - 700 км, ошибка измерения начинает быстро увеличиваться. С увеличением расстояния ошибка стабилизируется и для трасс от 1000 км и далее не превышает 1 - 2 градусов. Эти данные справедливы для трасс, не проходящих через приполярные области и для спокойной ионосферы.
Боковые отклонения, возникающие при наличии аномальных наклонов ионосферы, специфичны для каждого региона. Региональные исследования дают представление о величинах ошибок с учетом местных аномалий и особенностей ориентации конкретных трасс. Такие исследования на территории Европы были проведены в рамках Международного эксперимента [17,61].
Целью эксперимента являлось выяснение условий возникновения аномалий при пеленгации, предсказание этих аномалий, оценка возможных погрешностей и подготовка рекомендаций для включения в «Руководство оператору радиоконтрольной станции». В международном эксперименте принимали участие 6 пеленгаторов, размещенных в разных странах. В качестве наблюдаемых передатчиков были выбраны вещательные передатчики, которые работают изо дня в день на одних и тех же частотах и в одно и то же время, имеют большие мощности, легко опознаются в эфире и координаты которых известны. Эксперимент проводился непрерывно в течение 5 суток - с 13 по 17 марта 2000 года на шести пеленгаторах. Общий объем измерений составил около 1000 разовых замеров.
По полученным подобным образом погрешностям пеленгования для всех частот и всех пеленгаторов было построено суммарное распределение этих погрешностей в виде гистограммы - зависимости числа случаев от величины отклонения измеренного пеленга от действительного (рис. 3.6.). -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 Обычным отклонением от "прямолинейного" (в плоскости дуги большого круга) распространения на среднеширотных трассах при f MII4 считается усредненная величина, не превышающая 4...5 (отдельные выбросы могут быть и 10... 15 ). Эти отклонения обусловлены случайными изменениями электронной концентрации области ионосферы, существенной для распространения [35] при условии, что вероятность флюктуации электронной концентрации в этой области достаточно велика. Кроме того, на отклонение луча от плоскости дуги большого круга оказывают влияния и регулярные наклоны ионосферы, в том числе, и восходно-заходные. Чем севернее расположен пеленгатор, тем чаще он фиксирует авроральное рассеяние и боковые отклонения.
Приведенные данные показывают, что качество определения местоположения существенно зависит от взаимного положения станций контроля и пеленгуемого источника излучения и от условий ионосферного распространения в конкретных условиях.
При применении метода ОМОС предполагается, что
1. Трасса распространения симметрична относительно точки отражения, то есть продольные градиенты электронной концентрации в ионосфере отсутствуют.
2. Тип распространяющейся волны (мода) установлен правильно. Иными словами, каждому измеренному углу возвышения может быть поставлена в соответствие одна из мод распространяющегося сигнала.
3. Параметры ионосферы, используемые для расчета условий распространения, адекватны реальному состоянию ионосферы в текущем времени.
Отклонение реальных условий от принимаемых предположений ведет к появлению ошибок. В первую очередь эти ошибки определяются использованием для расчетов условий распространения модельной ионосферы, отличающейся от реальной. При этом возникают как ошибки интерпретации модового состава, так и ошибки пересчета из-за неточного определения параметров ионосферы. Иными словами, обязательным условием успешного применения метода ОМОС является проведение расчетов условий распространения сигнала на базе адекватной модели ионосферы. На рис.3.7 приведена одна из возможных ситуаций, ведущая к ошибке при неправильном определении моды распространения. При этом ошибки определения дальности могут быть очень большими.
Предлагаемые вычислительные процедуры
Исходными данными для расчета определения местоположения являются координаты СРК и пеленги, измеренные на этих СРК, а также ошибки измерения пеленгов. Координаты СРК для данного региона стабильны и известны. Также известны паспортные значения инструментальных погрешностей установленных в сети пеленгаторов. Эта информация изменяется мало и редко. Текущие результаты измерения заносятся в интерактивном режиме в таблицы базы данных, причем точности измерения могут правиться для отдельных пеленгов по информации операторов. Программа должна быть защищена от грубых ошибок во входных данных.
Вычисления производятся в следующей последовательности [74]. На первом этапе определяется взаимное расположение СРК, а именно расстояния между ними (база для каждой пары СРК) и ориентация (азимут) линии их соединяющей. Вычисления здесь и далее производятся по формулам сферической геометрии. В силу их общеизвестности ниже приведем только формулы решения сферического треугольника.
Далее вычисляются координаты точек пересечения линий пеленга для каждой пары пеленгаторов. Если общее число пеленгаторов, участвующих в измерениях, равно т, то в результате расчетов будет заполнена таблица размером тхт с координатами точек пересечения каждой пары пеленгов. Для определения точки пересечения двух линий пеленга решается сферический треугольник по стороне (по базе двух СРК) и двум углам - измеренным пеленгам. Расчет сферического треугольника по заданной стороне L и прилежащим углам вх и в2 заключается в определении третьего угла в3 и сторон Л, и, R2, противолежащим соответствующим углам. Расчет осуществляется по формулам [75]
После нахождения координат точки пересечения, а, следовательно, и дальности до точки пересечения от каждого пеленгатора, полученная координатная точка снабжается оценкой ошибки, содержащейся в результатах определения координат: S, =(CKO(0J-Vsin(V o))2 Sj (CKCKejyRb-waiRjIRSf где Sj и Sj - квадраты поперечных ошибок измерения для і -го и j -го СРК соответственно (дисперсии ошибок), Rf и Rj - расстояния до точки пересечения от і -го и j -го СРК соответственно. CKO{9t), CKOidj) - среднеквадратичные отклонения измеренных углов от истинного значения для г-го и у-го СРК соответственно. Как видим, поперечные ошибки зависят не только от точности угломера, но также и от расстояния от пеленгатора до измеряемого передатчика
В качестве закона распределения ошибки измерения угла принимается нормальный закон, поскольку флюктуации измеряемого угла вызваны суммарным воздействием многих факторов. При этом, как известно, при суммировании закон распределения нормализуется [76].
Тогда распределение ошибок может быть представлено в виде: р(х) = 2n:-det\A ехр[-ХтАх], где Х = А = а\,\ а\,г а2[ а22 аи = а\,г где х, у - отклонение результата измерения от среднего по соответствующим осям координат, \А 1\ - корреляционная матрица, a det _1 - ее определитель. Результат определения координат каждой парой пеленгов может быть снабжен соответствующей оценкой точности. Оценки точности также образуют таблицу размером mxm, как и таблица оценок координат. Вес для данной пары пеленгов при объединении результатов измерений определится как: y=min(Z,,2) vu = і и IX, где Ц,Ь2- собственные числа квадратичной формы. Производя аналогичные вычисления для всех пар пеленгов, создадим массив координат и весов для последующего усреднения.
По полученному массиву координат производится взвешенное усреднение координат по формулам: где (р m, ер J j - географические широты: среднее значение и значение, полученное пеленгаторами с номерами і и j соответственно; A m, Л,о - географические долготы: среднее значение и значение, полученное пеленгаторами с номерами / и j соответственно. Суммирование ведется по всему массиву координат. Знание широты средней точки позволяет вычислить масштаб, ставящий в соответствие разность географических координат средней точки и истинного положения передатчика расстоянию между ними (в километрах):
