Существуют три основных метода определения пространственных координат объектов:

линий и поверхностей положения;

корреляционно-экстремальный;

счисления пути.

Но последние два в настоящее время применимы только для автономных навигационных систем, т.е. при определении местоположения на самом ЛА. Определение координат целей в настоящее время основывается на применении метода линий и поверхностей положения.

Общность физических основ радиодальнометрии и радиопеленгации находит выражение еще в том, что местоположение цели можно установить не только по ее дальности и углам, измеренным из одной точки О (рис. 1.3), но и путем измерения дальности или углов из разнесенных опорных точек и,(рис. 1.7). Наибольшее применение получили дальномерный, разностно-

дальномерный, угломерный (пеленгационный) и дальномерно-угломерный

(комбинированный) методы определения местоположения целей.

Рис. 1.7. Методы определения местоположения объектов:

а – дальномерный; б – разностно-дальномерный; в – пеленгационный (уг-

ломерный)

В радиолокации для определения местоположения цели (объекта) чаще всего применяют позиционный метод, основанный на использовании поверхностей или линий положения для определения места объекта в пространстве или на поверхности Земли. Поверхность положения представляет собой геометрическое место точек в пространстве, отвечающих условию постоянства параметра (измеряемой координаты относительно опорного пункта (дальности, угла и т.п.)).

Местоположение ЛА в пространстве находится как точка пересечения трех поверхностей положения (ПП). Пересечение двух поверхностей положения дает линию положения (ЛП), которая является геометрическим местом точек с постоянными значениями двух параметров. Чтобыопределить точку в пространстве, требуется пересечение трех поверхностей положения или линии и поверхности положения. В случае нахождения цели иопорных пунктов в одной плоскости достаточно двух ЛП (определения двухкоординат цели, которые измеряются двумя РЛУ) (рис. 1.7).

Дальномерный метод заключается в определении местоположения цели М

(рис. 1.7, а) измерением расстояний между целью и опорными пунктами ,.

Каждая поверхность положения представляет собой сферу с центром в опор-

ном пункте и радиусом, равным дальности. Так как точки М , ,находятся в одной плоскости, то поверхности положения переходят в окружности радиусамиис точкой пересечения на целиМ . Имеется еще одна точка пересечения окружностей, но неоднозначность измерений можно исключить.

Разностно-дальномерный метод (рис. 1.7, б) требует наличия на плоскости двух пар опорных пунктов ,и,. Один из них обычно общий

(). Каждая пара станций используется для получения ЛП в виде гипербол сфокусами в опорных пунктах. Эти линии строятся как геометрические места

точек с постоянной разностью расстояний: оти;оти. Точка пересечения гипербол совпадает с целью М.

Угломерный (пеленгационный) метод основан на использовании направленных свойств антенн. Этот метод реализуется посредством радиопеленгатора,установленного на объекте М, и двух радиомаяков, расположенных в опорныхпунктах и(рис. 1.7, в) с базой b.

Радиопеленгатор представляет собой радиоприемное устройство с направленной антенной, а радиомаяк - передающее устройство с ненаправленной антенной. Пеленгатор измеряет азимуты маякаимаяка, и так как ЛПс постоянными пеленгами (= const,= const) представляют собой прямые, проходящие под углами,к направлению юг - север, то они имеют одну точку пересечения, которая является искомой, т. е. совпадает с целью М.

Дальномерно-угломерный метод (рис. 1.2, 1.3, 1.8) требует применения только одной станции, содержащей радиодальномер и радиопеленгатор. Из точки стояния станции О дальномер определяет наклонную дальность цели, а пеленгатор устанавливает направление на цель, т. е. ее азимут α и угол места β.

Цель М находится на пересечении поверхности положения дальномера в виде шара радиуса и ЛП пеленгатора - в виде прямой с угловыми координатами α и β, проходящей через точку О. Этот метод наиболее характерен для радиолокации, а остальные методы - для радионавигации. Однако и в радиолокации местоположение цели определяют иногдаиз двух и более точек. Например, если обычная PЛС производит пеленгацию сбольшими ошибками, то прибегают к дальномерному методу, а если дальномерную часть РЛС нельзя использовать из-за сильных помех или вследствиеприменения пассивной радиолокации, то прибегают к пеленгационному методу.

Рис. 1.8. ПП при определении местоположения объекта позиционным (даль-

номерно-пеленгационным) методом

Таким образом, в радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП. Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Заключение

1. В отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризация и т.д.).

2. В современной радиолокации используются местные и глобальныеСК. Местные СК подразделяются на цилиндрические и сферические СК, глобальные СК – на географические и геосферические.

3. По принципам образования радиолокационных сигналов методы радиолокации разделяются на активные, полуактивные и пассивные. На практике часто их совмещают при проектировании радиолокационных систем.

4. В радиолокации для определения местоположения объекта применяют позиционные методы, основанные на использовании ПП или ЛП.

Выбор метода определяет количество РЛУ, входящих в систему.

Контрольные вопросы :

1. Принцип измерения дальности в радиолокации.

2. Принцип пеленгации в радиолокации.

3. Принцип измерения скорости в радиолокации.

4. Основные элементы сферической СК, используемой в радиолокации.

5. Основные элементы цилиндрической СК, используемой в радиолокации.

6. Основные элементы географической СК.

7. Основные элементы геоцентрической СК.

8. Сущность активных методов формирования радиолокационного сигнала.

9. Сущность полуактивного и пассивного методов формирования радиолокационного сигнала.

10. Сущность дальномерного и разностно-дальномерного методов определения местоположения объекта.

11. Сущность угломерного и дальномерно-угломерного методов определения местоположения объекта.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материалы лекции.

2. Подготовиться к контрольной работе по контрольным вопросам.

Литература:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. –

М.: Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

Радионавигационные методы определения координат, дальномерный метод, линии положения, погрешность дальномерного метода.

Навигация

Ортодромия

Поверхностью положения

Линия положения

Дальномерный метод.

Этот метод основан на измерении расстояния D между точками излучения и приема сигнала по времени его распространения между этими точками.

В радионавигации дальномеры работают с активным ответным сигналом, излучаемым антенной передатчика ответчика (рис. 7.2, а) при приеме запросного сигнала.

Если время распространения сигналов запроса т3 и ответа т0 одинаково, а время формирования ответного сигнала в ответчике пренебрежимо мало, то измеряемая запросчиком (радиодальномером) дальность D = c(т3 + т0)/2. В качестве ответного может быть использован также и отраженный сигнал, что и делается при измерении дальности РЛС или высоты радиовысотомером.

Поверхностью положения дальномерной системы является поверхность шара радиусом D. Линиями положения на фиксированной плоскости либо сфере (например, на поверхности Земли) будут окружности, поэтому иногда дальномерные системы называют круговыми. При этом местоположение объекта определяется как точка пересечения двух линий положения. Так как окружности пересекаются в двух точках (рис. 7.2,6), то возникает двузначность отсчета, для исключения которой применяют дополнительные средства ориентирования, точность которых может быть невысокой, но достаточной для достоверного выбора одной из двух точек пересечения. Поскольку измерение времени задержки сигнала может производиться с малыми погрешностями, дальномерные РНС позволяют найти координаты с высокой точностью. Радиодальномерные методы начали применяться позже угломерных. Первые образцы радиодальномеров, основанные на фазовых измерениях временной задержки, были разработаны в СССР под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щеголева в 1935-1937 гг. Импульсный метод измерения дальности был применен в импульсной РЛС, разработанной в 1936-1937 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Радионавигационные методы определения координат, угломерно-дальномерный метод, линии положения, погрешность угломерно-дальномерного метода.

Навигация - наука о методах и средствах, обеспечивающих вождение подвижных объектов из одной точки пространства в другую по траекториям, которые обусловлены характером за­дачи и условиями ее выполнения.

Ортодромия - дуга большого круга, плоскость которого проходит через центр земного шара и две заданные точ­ки на его поверхности.

В радионавигации при нахождении местоположения объекта вводят понятия радионавигационного параметра, поверхностей и линий положения.

Радионавигационным параметром (РНП) называют физическую величину, непосредственно измеряемую РНС (расстояние, разность или сумма расстояний, угол).

Поверхностью положения считают геометрическое место точек в пространстве, имеющих одно и то же значение РНП.

Линия положения есть линия пересечения-двух поверхностей положения. Местоположение объекта задается пересечением трех поверхностей положения или поверхности и линии положения.

1. Угломерный, угломерно-дальномерный и разностно-дальномерный методы определения местоположения источников радиоизлучений.

1.1 Общая характеристика методов .

В зависимости от параметра электромагнитного поля, используемого при определении местоположения РЭС, различают: амплитудные, временные, фазовые и частотные методы. По измеряемым параметрам электромагнитного поля могут быть определены геометрические величины : пеленг, расстояние до РЭС, разность расстояний от РЭС до двух точек приема.

Измеренным геометрическим величинам соответствуют линии положения РЭС на плоскости (ЛП) или поверхности положения (ПП) в пространстве.

Форма ЛП или ПП и определяющие их соотношения зависят от метода определения местоположения (МП) (рис.1).

Рис.1 Формы и соотношения для линий и поверхностей положения.

Например, для дальномерной системы: М – источник ИРИ (РЭС); О 1 – средство разведки (навигационная точка НТ) ; геометрическая постоянная

P = R = const .

ЛП:х 2 + у 2 = R 2 – концентрическая окружность с центром в НТ.

ПП:х 2 + у 2 + Z 2 + R 2 – сфера с центром в НТ.

Определение: Геометрическое место точек возможного положения РЭС на плоскости (в пространстве), для которых геометрическая величина, определяющая местоположение объекта, есть постоянная, называется линией (поверхностью) положения.

Для однозначного определения МП необходимо, чтобы в области нахождения РЭС пересекалось не менее 2 х линий или не менее трех поверхностей положения (одна из которых, поверхностьЗемли).

В настоящее время применяются следующие методы определения МП излучающих РЭС: угломерный, разностно-дальномерный, суммарно-дальномерный, угломерно-дальномерный, дальномерный, комбинированный.

Рассмотрим некоторые из них.

1.2 Угломерный (пеленгационный) метод основан на определении МП, как точки пересечения ЛП, соответствующих измеренным в двух разнесенных точках приема пеленгами (рис.2).

Рис.2 Угломерный метод определения местоположения ИРИ на плоскости.

Для определения МП «и» на плоскости достаточно измерить j аз1 и j аз2 . Тогда по теореме синусов:

;

;

где d – база, о 1 и о 2 – точки приема (НТ)

Для определения МП «и» в пространстве (рис.3) измеряются азимутальные углы j аз1 j аз2 и угол места в одной из точек приема. Либо наоборот – углы места j ум1 и j ум2 в двух точках приема и азимутв одной из них.

Рис.3 Угломерный метод определения местоположения ИРИ в пространстве.

Тогда, например:

Важнейшей оценкой, определяющей выбор способа определения МП, является погрешность измерений. Однако непосредственному измерению в аппаратуре подвергаются электрические параметры с характерной для данной системы погрешностью.Погрешности связаны следующей функциональной цепочкой:

s э ® s р ® s л ® s Д ,

где s э – ошибка определения электрического параметра;

s р – ошибка определения геометрическогопараметра;

s л -ошибка определения ЛП (ПП);

s Д -ошибка определения МП.

Ошибки определения линейного и геометрического параметров связаны соотношением:

s лр = К л s р , где К л – коэффициент линейной ошибки (определяется выбранным методом определения МП).

Например, для угломерного метода (плоскостной случай):

Для рассматриваемого рисунка Д=Д 1 , а - ошибка определения угла.

Она связана с ошибкой определения электрического параметра, например, фазы. В свою очередь

Анализ показывает, что наибольшая точность определения МП будет при a @ 110 о и расположению РЭС на нормали к середине базы при относительно небольших Д.

Наихудшая точность соответствует направлениям на РЭС, близким к направлению базы.

Точность определения МП может быть увеличена при многократном пеленговании (10-15 пеленгов), но при этом возникает опасность ложных пеленгов (рис.4)

Рис.4 Возникновение ложных пеленгов

Здесь наряду с определением 3 х истинных источниковИ 1 , И 2 , И 3 обнаруживается 6 ложных (ЛИ).

Исключение ЛП возможно за счет опознавания источников путем сравнения по параметрам сигналов (f , t u , T u ), либо путем взаимокорреляционной обработки сигналов, принимаемых в о 1 , о 2 .

Достоинства метода – простота.

Недостатки метода – необходимость согласования обзора из 2 х точек изависимость ошибок от положения источника.

1.3 Разностно-дальномерный метод основан на измерении относительного запаздывания сигналов, принимаемых в 3 х пунктах приема, и нахождении ЛП (гипербол), а также вычислении координат точки пересечения ЛП (рис.5)

Рис.5 Разностно-дальномерный способ определения местоположения

Здесь А 1 , А 2 , А 3 –разнесенные точки наблюдения, принадлежащие различным базам А 1 , А 2 , d 12 и А 2 , А 3 , d 23 . Фокусы гипербол совпадают с точками наблюдения. Разности расстояний, определяемые путем измерения относительного запаздывания сигналов, будут:

P 12 =const= Д 1 - Д 2 и P 23 =const= Д 2 - Д 3 .

Они являются параметрами гипербол, по которым гиперболы строятся. (Гипербола – геометрическое место точек, для каждой из которых разность расстояний до фокусов есть величина постоянная (рис.1)

Пространственное положения источника ЭМИ определяется по трем разностям дальностей, измеренных в 3 х , 4 х приемных пунктах. МП источника ЭМИ – точка пересечения трех гиперболоидов вращения.

Линейная ошибка метода:

, где - СКО определения Р.

В свою очередь;

j - угол под которым видна база А 1 А 2 из точки И

Обычно базы (А 1 А 2) и (А 2 А 3) располагаются не на одной линии а под a =60 о -90 о

Для определения временных задержек D t 12 и D t 23 используют, например, передний фронт импульса сигнала РЭС.

Для уменьшения s Л базу нужно увеличивать. Точность определения МП данным методом высокая (десятки м).

Рассматриваемый метод применяется в пассивных импульсных (временных) и корреляционно-базовых системах определения местоположения источников ЭМИ.

При использовании пассивных разностно-дальномерных систем также возможно обнаружение ложных несуществующих источников ЭМИ в тех случаях, когда источник излучает периодические сигналы с малым периодом следования (с малой скважностью). На временном интервале, равном разности времени распространения сигнала от источника до приемника, укладывается несколько периодов излучаемых сигналов.

В результате система измеряет большое количество разностей дальностей и определяет соответственно большое количество гиперболических поверхностей. Многие из них являются ложными.

Устранить подобную неоднозначность можно путем разнесения источников по угловым координатам, т.е. совместным применением разностно-дальномерного и триангуляционного методов.

Помимо рассмотренных находят применение комбинации методов: угломерно-дальномерный и угломерно-разностно-дальномерный (рис.6,7) .

Рис.6 Дальномерно-угломерный способ

Рис.7 Угломерно-разностно-дальномерный способ

2. Погрешность определения местоположения источника

радиоизлучения

Установим связь между ошибкой олределения МП и линейными ошибкам,справедливую для любого метода (рис.8)

Рис.8 Определение ошибки местоположения

Здесь Р 1 и Р 2 истинные ЛП для геометрических параметров Р 1 и Р 2 ,

Р 1 + D Р 1 и Р 2 + D Р 2 – ЛП измеренные, отстоящие от истинных на величины линейных ошибок D n 1 и D n 2 ; М – истинное МП объекта, М ¢ - найденное (измеренное); r – ошибка МП объекта.

Из D МОМ ¢ можно найти:

r 2 = a 2 + в 2 ± 2ав - ошибка МП s Д минимальна при b =90 о.

В РРТР широко распространены угломерный и угломерно-дальномерный методы, как единственные методы, позволяющие однозначно определять МП.

Недостатком угломерного метода является зависимость ошибки МП от дальности и сравнительно большие значения ошибок.

В последнее время все чаще используется гиперболический метод. Его достоинства:

1. Высокая точность определения МП;
2. Отсутствие необходимости в точной ориентации антенн;
3. Возможность использования слабонаправленных антенн (широкая зона обзора);
4. Возможность использования больших высот для носителя аппаратуры РРТР и, следовательно, большая дальность действия.

Недостатки:

1. Невозможность определения МП источника немодулированного колебания;
2. Необходимость временной синхронизации между пунктами приема с точностью до 10 -8 с;
3. Зависимость точности от вида модуляции (лучше для остроконечной АКФ модулирующего сигнала);
4. Затраты времени на измерения. В отличие от пеленгатора, где результат – пеленг, в РДС формируются выборки сигналов. Они передаются со всех постов на общий пост вычисления координат, где определяются соответствующие задержки, а по ним МП.

Для определения МП ИРИ с произвольными видами модуляции более предпочтительны угломерные системы на основе пеленгаторов.

Сравнительная оценка разностно-дальномерного и угломерного(пеленгационного) методов определения координат ИРИ

На практике для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) применяют угломерный (пеленгационный), дальномерный, суммарно-дальномерный, разностно-дальномерный методы, а также их комбинации .

Из описания указанных методов можно выделить их характерные особенности.

Так, для реализации дальномерного и суммарно-дальномерного метода на приемных пунктах должна быть известна структура сигнала. В связи с этим среди перечисленных выше типов РЭС такие методы могут быть применены лишь для местоопределения абонентских терминалов (АТ) сотовой связи, поскольку их функционирование принципиально возможно только под управлением базовой станции, которая в процессе радиообмена всегда измеряет дальность до АТ.

Для угломерного (УМ) и разностно-дальномерного методов (РДМ) не требуются информация о точной структуре сигнала, а достаточно указать лишь область спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Причем, все больше производителей техники определения координат ИРИ обращают внимание на РДМ, в связи с появлением недорогих компактных вычислительных ресурсов и усовершенствованных технологий радиоприема, доступностью каналов передачи данных, а также наличием точных распределяемых сигналов хронирования.

В таблице приводятся результаты анализа достоинств и недостатков традиционных вариантов построения РДМ (с жесткой синхронизацией периферийных приемных пунктов) в сравнении с УМ, заимствованные из отчета Международного союза электросвязи МСЭ-R SM.2211.

Таблица

Более простые требования к антенне	Антенна является дешевой, несложной и может иметь небольшой размер. Приемники РДМ могут использовать одну простую антенну (например, несимметричный или симметричный вибратор). Дополнительным преимуществом является то, что можно изготовить малозаметную антенну небольшого размера.
Более простые требования к выбору места и калибровке	Для РДМ требования к выбору места являются менее жесткими, чем для УМ, и калибровка практически не требуется. В результате развертывание оборудования РДМ осуществляется быстрее. Можно установить дополнительные приемники РДМ, для того чтобы преодолеть влияние затенения от высоких препятствий. В системе УМ места должны выбираться таким образом, чтобы свести к минимуму искажение фронта волны, обусловленное вторичными излученными локальных препятствий, отражениями от земли и изменением проводимости почвы. Некоторые антенные решетки системы УМ должны быть калиброваны после установки на месте, для того чтобы свести к минимуму результирующие ошибки, зависящие от частоты и направления.
Широкополосные сигналы, сигналы с низким ОСШ, а также сигналы малой длительности	Метод РДМ эффективно работает с новыми и появляющимися сигналами, характеризующимися сложными методами модуляции, широкой полосой и малой длительностью. С увеличением ширины полосы сигнала степень эффективности РДМ, как правило, возрастает. Метод УМ, эффективно работает с узкополосными сигналами. Усовершенствованные методы УМ могут применяться для определения местоположения любых сигналов, в том числе широкополосных, сложных и коротких. Степень эффективности УМ, в приближении, не зависит от ширины полосы сигнала, при условии, что разнос каналов, подвергающихся быстрому преобразованию Фурье (БПФ), равен ширине полосы сигнала. Оба метода, РДМ и УМ, эффективнее работают с сигналами, имеющими более высокие ОСШ, и при большем времени интегрирования. Выигрыш за счет корреляционной обработки позволяет с помощью методов РДМ обнаруживать и определять местоположение сигналов с низким (и даже отрицательным) ОСШ. Кроме того, он позволяет задействовать при определении географического местоположения дополнительные приемники РДМ. Сигналы с низким ОСШ могут обрабатываться с помощью усовершенствованных методов УМ, например корреляционных методов УМ с повышенной разрешающей способностью или со вспомогательными данными (опорная радиопеленгация). Определение географического местоположения источников сигналов малой длительности требует координированной работы приемников, синхронизированных по времени до доли величины, обратно пропорциональной ширине полосы сигнала. Обеспечение такой возможности является непременным условием работы систем РДМ. Кроме того, методом РДМ можно определить географическое местоположение на основе измерений очень малой длительности, проводимых в отношении сигналов большей длительности. Если элементы антенны УМ коммутированы, то необходимое время интегрирования будет меньше.
Сложность системы	Приемник и антенна системы РДМ являются более простыми, чем типовая антенная решетка и двух- или многоканальный приемник системы УМ. Приемнику системы РДМ требуется как минимум один РЧ канал в реальном времени для обработки без задержки и с максимальной вероятностью перехвата сигнала (1) .
Подавление некоррелированных шумов и помех	С помощью корреляционной обработки, используемой в РДМ, можно подавлять сигналы на совпадающей частоте, совпадающий по времени шум и сигналы помех, которые некоррелированы между местами проведения измерений. Это свойство позволяет системе определять географическое местоположение источников сигналов с низкими отношениями сигнала к помехе и шуму (низкое отношение SINR). Усовершенствованные системы УМ могут ослаблять влияние некоррелированных и совпадающих по времени помех на совпадающей частоте путем использования корреляции с опорными сигналами. Другие усовершенствованные методы обработки, например MUSIC могут быть устойчивыми к некоррелированным шумам и помехам. Однако такие методы требуют дорогостоящих вычислений и не получили широкого применения при осуществлении контроля за использованием спектра.
Ослабление влияния когерентных помех на совпадающей частоте (многолучевости) при определенных условиях	Степень эффективности УМ и РДМ, снижается в условиях многлучевости - когерентных помех на совпадающей частоте. Воздействие на каждый метод различается в зависимости от положения датчика по отношению к многолучевым отражениям. При достаточной ширине полосы сигнала метод РДМ менее чувствителен к искажению фронта волны за счет локальных препятствий (локальной многолучевости). Может потребоваться усовершенствованная обработка сигнала для устранения неопределенностей при определении местоположения, вызванных удаленными препятствиями (дистанционная многолучевость). С помощью усовершенствованной обработки можно дополнительно отфильтровать корреляционные пары, используемые при определении местоположения методом РДМ, и улучшить результаты, получаемые в условиях повышенной многолучевости. При усовершенствованной обработке методом РДМ можно исключить временные задержки при многолучевом распространении между местами проведения измерений, что обеспечивает высокую эффективность в условиях со сложным рельефом местности.
Соображения относительно конфигурации	РДМ и УМ, обеспечивают наибольшую точность, при ИРИ расположеном в центре периметра, образованного местами проведения измерений. Точность определения географического местоположения методом РДМ определяется геометрическим показателем снижения точности, качеством временной синхронизации и качеством оценки РДМ. Точность методов УМ напрямую зависит от расстояния между источником и каждым приемником УМ. Неопределенность положения является функцией от неопределенности угла пеленга и расстояния от приемника до оцениваемого положения. Неопределенность местоположения и пеленга увеличивается с расстоянием одинаково в обоих методах.
Высокая степень пригодности к использованию в сетях РЧ датчиков	В обоих методах, РДМ и УМ, увеличение числа приемников ведет к улучшению результатов. Метод РДМ хорошо подходит для развертывания многих приемников.
Возможность анализа в полностью автономном режиме на центральном сервере	В системах РДМ могут храниться и регистрироваться скоординированные во времени измерения сигналов от всех приемников, поэтому на центральном сервере можно осуществлять анализ в полностью автономном режиме. Сюда входит спектральный анализ сигнала каждого приемника, кросскорреляционные измерения и определение географического местоположения. В системах УМ на центральном сервере также могут храниться и регистрироваться некоторые измерения сигналов (например, результаты пеленгации и точность пеленгации). Эти измерения скоординированы во времени до той степени временной синхронизации, которая достижима в системе УМ. Такие измерения, как результаты спектрального анализа и перекрестной корреляции, не являются типовыми, поскольку для них требуется такая же скорость передачи данных по соединительным линиям, как и в РДМ.

(1) В типовых корреляционных системах интерферометрии используется временное разделение для уменьшения числа необходимых приемников. Этим системам требуется два-три приемника, подключенных к пяти, семи или более антеннам. Эти системы являются менее сложными, чем полностью параллельные системы радиопеленгации, однако для определения местоположения им необходима бóльшая минимальная длительность сигнала.

Представленный в таблице качественный анализ достоинств и недостатков УМ и РДМ на первый взгляд свидетельствует о предпочтительности применения для реализации процедуры радиомониторинга РДМ. Вместе с тем, однозначно нельзя утверждать, что данный метод будет предпочтительнее во всех случаях. Поэтому далее проведем более детальное сравнение указанных методов на количественной основе. Для этого воспользуемся показателем в виде эллипса рассеяния ошибок , который характеризует разброс ошибок местоопределения конкретными численными показателями – размерами его малой и большой полуосей, а также их наклоном.

Для построения эллипса рассеяния с центром в точке сначала рассчитываются элементы матрицы точности местоопределения . Обратной к матрице точности является соответствующая границе Рао-Крамера корреляционная матрица ошибок вычисления координат , где - дисперсия по оси , - корреляционный момент, - дисперсия по оси .

Элементы матрицы точности для УМ вычисляются по формулам :

(1)

где , - координаты пеленгаторов, - общее количество позиций пеленгаторов, - евклидово расстояние между точками и на плоскости, - среднеквадратичная ошибка (СКО) оценивания пеленга, радиан.

Для РДМ местоопределения элементы матрицы точности вычисляются через матричное произведение .

Задача определения местоположения транспортного средства заключается в определении его координат на поверхности Земли. Системы определения местоположения подразделяются на системы локального определения местоположения и системы дистанционного определения местоположения. В случае локального определения местоположения объект сам определяет свое положение. В качестве примера можно привести систему GPS. Дистанционное определение местоположения осуществляется из центрального пункта, который определяет местоположение отдельных объектов. В таком режиме работают, например, радиолокаторные системы.

Для определения местоположения используются, в основном, четыре технических метода: прямое определение местоположения, косвенное определение местоположения, спутниковые системы и наземные передатчики. Из них наиболее распространенным стало косвенное определение местоположения в сочетании со спутниковыми системами. Существенное преимущество систем заключается в том, что они не нуждаются в создании центральных пунктов или сложной инфраструктуры связи.

Известно, что использование датчиков (рис.13.4) только одного типа не позволяет, как правило, определить местоположение объекта с высокой точностью и достаточной надежностью. Поэтому часто комбинируются данные различных датчиков с помощью различных методов и алгоритмов.

Рисунок 13.4 – Датчики, используемые для определения местонахождения ТС

Прямое определение местоположения . Казалось бы, что это – самый простой метод определения местоположения, так как местоположение определяется в момент прохождения транспортного средства через данное сечение, образованное, например, радиомаяком. В данном случае часто говорят о датчике положения, сигнал которого может передаваться не только с помощью радиоволн, но также с помощью световых или инфракрасных лучей. Существенным условием является наличие в транспортном средстве бортового устройства, способного вести связь с радиомаяком. Кроме того, должна быть создана достаточно густая сеть маяков, покрывающих данную область.

При отсутствии бортового устройства используются видеокамеры, которые позволяют прочитать номерные знаки и по ним определять проезд ТС через данную сеть. Основным недостатком такой системы, которая используется для электронной платы за проезд, является высокая стоимость создаваемой инфраструктуры. Она содержит не только цену радиомаяков, но и цену всей сети связи. Поэтому эту систему не рекомендуется использовать только для определения местоположения ТС.

Косвенное определение местоположения . Данный метод является одним из простейших, и он основан на принципе, по которому можно подсчитать положение ТС, движущегося в двухразмерном пространстве, если известно его исходное положение (рис. 13.5). Этот метод заключается в суммировании приращений траектории и углов направления относительно исходной точки, т. е. определяется положение относительно опорной точки.

Рисунок 13.5 – Метод косвенного определения местоположения

Основной недостаток метода заключается в суммировании погрешностей при каждом измерении.

Спутниковая навигация . Современный этап развития методов определения координат связан с созданием спутниковых систем навигации.

Спутниковые системы первого поколения – это американская система Transit и советская система Цикада . Система Transit изначально разработанная для управления подводными лодками была запущена в 1964 г. и состояла из 7 низкоорбитальных спутников. С 1967 г. она стала доступна для гражданских пользователей. В 2000 г. система была выведена из эксплуатации.

Развертывание системы Цикада было начато в 1967 г., когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник. Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Советский Союз и Россия имеет военный вариант системы, называемый «Циклон».

В обеих системах координаты определялись на основании доплеровского сдвига частоты от каждого спутника, по которому определялось положение наблюдателя относительно спутника. Высота орбит спутников и в той и в другой системе 1000 км, точность навигации около 100 м. Хотя эти системы и покрывали основные потребности в навигации судов, но имели и существенные недостатки – низкое быстродействие, отсутствие непрерывной доступности, возможность позиционировать только медленно движущиеся объекты и др.

Спутниковые системы второго поколения – это уже работающие, или вводимые в эксплуатацию, системы это американская NAVSTAR (GPS) , российская ГЛОНАСС, европейская ГАЛИЛЕО, китайская БЕЙДОУ , индийская IRNSS .

GPS (Global Positioning System) – спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное определение координат объектов в любой точке земной поверхности в любое время суток. На сегодняшний день в научной и другой специализированной литературе, а так же во многих официальных документах, аббревиатуру GPS относят исключительно к американской системе NAVSTAR, хотя изначально предполагалось, что так будут называть все глобальные спутниковые системы позиционирования.

NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range) – навигационная система, обеспечивающая измерение времени и расстояния.

GPS была разработана в США и находится под управлением министерства обороны. Развертывание системы началось в 1977 г., когда был запущен первый спутник, а осуществлено полностью в 1993 г. Первоначально основным назначением GPS была высокоточная навигация военных объектов, но уже в 1983 г. система стала открытой для гражданского использования, а в 1991 г. были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования странам бывшего СССР.

На настоящий момент в орбитальную группировку входит 32 спутника.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Первый спутник был запущен в 1982 г., в 1995 г. развертывание системы было закончено, было запущено 24 спутника, однако многие из них вышли из строя, и до недавнего времени система не функционировала в полном объеме. Запуск новых спутников в 2009–2011 гг. существенно изменил ситуацию. На 14 ноября 2011 г. в орбитальную группировку входило 30 спутников, из которых 23 использовалось по целевому назначению. Таким образом, в конце 2011 г. ГЛОНАСС стала обеспечивать навигацию практически по всему Земному шару.

Галилео – Европейская спутниковая навигационная система. Первые экспериментальные спутники были запущены в 2005 и 2008 гг. В октябре 2011г. были запущены два первых рабочих спутника, еще два предполагается запустить в 2012 г. Всего предполагается к запуску 30 спутников. 27 рабочих и 3 запасных.

Бэйдоу (китайской название созвездия Большой Медведицы) – китайская спутниковая навигационная система. 27 июля 2011г. был запущен 9-й спутник. Предполагается, что в пределах Азиатско-Тихоокеанского региона система начнет оказывать навигационные услуги уже в 2012г. Полностью развертывание системы, состоящей из 35 спутников, намечено завершить в 2020 г.

IRNSS – индийская навигационная спутниковая система, находится в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

В зависимости от класса используемого наземного оборудования точность определения координат объектов при помощи GPS и ГЛОНАСС лежит в интервале от 10 м до единиц миллиметров (точность определения абсолютных координат на Земле), а время проведения измерений в большинстве случаев составляет от секунд до единиц минут. На сегодняшний день методы спутниковой навигации являются наиболее точными из всех существующих для определения координат наземных и околоземных объектов.

Назначение спутниковых систем. Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС – системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны).

Общий состав системы. Система глобального позиционирования (GPS) включает в себя 3 сегмента (рис. 13.6):

Космический сегмент (все рабочие спутники).

Управляющий сегмент (все наземные станции системы: основная управляющая и дополнительные для контроля).

Сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи).

Космический сегмент. Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют «сетку» над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести.

Рисунок 13.6 – Общий состав системы GNSS

Полностью развёрнутая спутниковая система (рис. 13.7) имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для «горячей» замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях. При необходимости в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника располагаются несколько эталонов времени и частоты «высокоточные атомные часы». Работает всегда один эталон, а располагается их в спутнике несколько (от трёх до четырёх).

Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника (рис. 13.8).

а) орбиты GPS спутников в 6 различных плоскостях; б) позиции спутников на карте

Рисунок 13.7 – Космический сегмент системы

Таким образом, несмотря на погрешность часов приемника и ошибок по времени, позиция вычисляется с точностью примерно 5–10 м.

Рисунок 13.8 – Четыре спутника для определения позиции в 3-D пространстве

Источники ошибок при распространении сигнала представлены на рис. 13.9.

Рисунок 13.9 – Источники ошибок при распространении сигнала

Спутниковая дальнометрия. Системы спутниковой навигации используют высоко расположенные спутники, которые размещаются таким образом, чтобы из любой точки n на земле можно было провести линию, по крайней мере, к четырем спутникам.

Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков .

Определение местоположения абонента в сетях GSM . Теоретически системы определения местоположения (ОМП) позволяют определить координаты абонента с точностью до нескольких десятков метров и являются реальной альтернативой системам глобального спутникового позиционирования, но лишь на территории обслуживания сотовых сетей.

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином «местоположение » следует понимать не нахождение географических координат – широты и долготы, что в принципе также возможно, а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте).

Согласно принятой классификации, СМП делятся на два основных типа: системы, для функционирования которых необходима доработка или замена абонентских устройств, и, работающие с обычными мобильными терминалами (системы позиционирования внутри сотовой сети).

В первом случае потребуется либо новая SIM-карта, либо новый аппарат, а возможно, и то и другое. Во втором случае никаких изменений в аппаратной части мобильного терминала не требуется, а необходимо только изменение программной части, таким образом, все затраты на развертывание системы несет оператор сети.

Для определения положения мобильного аппарата могут быть использованы три основных параметра радиосигналов: направление прихода, амплитуда и время задержки.

Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризовать расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике уровень сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность определения места и используется в качестве вспомогательного параметра.

Направление прихода сигналов может автоматически определяться, по различию фаз сигналов на элементах антенны. Можно также использовать несколько базовых станций, расположенных по соседству. Использования секторных антенн, вместо всенаправленных, позволяет определить направление прихода сигналов с большей точностью. Пересечение пеленгов из двух или большего числа мест обеспечивает с определенной точностью определение положения мобильного телефона.

При реализации угломерного метода – метод направления прихода сигналов – Angle of Arrival – АОА измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона α1 и α2 (град) (рис. 13.10) относительно линии базы, соединяющей две сотовые станции сети.

Рисунок 13.10 – Принцип реализации угломерного метода

При реализации дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1 [c] и Dt2 (сек) (рис. 13.11) распространения сигнала радиотелефона абонента не менее, чем до двух сотовых станций сети относительно их временных шкал, которые должны быть синхронизированы между собой, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Рисунок 13.11 – Принципиальная схема реализации дальномерного метода.

При реализации разностно-дальномерного метода измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1[c], Dt2[c] и Dt3[c] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до трех базовых станций сети относительно их синхронизированных временных шкал, а рассчитываемыми параметрами – дальности от сотовых станций до места расположения абонента.

Недостатками такой системы местоопределения можно назвать:

· Низкую точность в местоопределении (по сравнению со спутниковыми системами);

· Привязку к определенному оператору сотовой связи (GPS – глобальная система);

· Неравномерность качества услуги (зависимость от зоны действия сигнала).

Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов . С помощью достаточно большого количества дорожных указателей или контрольных пунктов (КП), точное местоположение которых известно в системе, на территории города создается сеть контрольных зон. Местоположение транспортного средства определяется по мере прохождения им КП. Индивидуальный код КП передается в бортовую аппаратуру, которая через подсистему передачи данных передает эту информацию, а также свой идентификационный код в подсистему управления и обработки данных. Таким образом, реализуется метод прямого приближения. Однако на практике чаще используется инверсный метод приближения – обнаружение и идентификация транспортных средств осуществляется с помощью установленных на них активных, пассивных или полуактивных маломощных радиомаяков, передающих на приемник КП свой индивидуальный код, или же с помощью оптической аппаратуры считывания и распознавания характерных признаков объекта, например, автомобильных номеров. Информация от КП далее передается в подсистему управления и обработки данных.

Очевидно, для зоновых систем точность местоопределения и периодичность обновления данных напрямую зависит от плотности расположения КП по территории действия системы. Методы приближения требую развитой инфраструктуры связи для организации подсистемы передачи данных с большого числа КП в центр управления и контроля, а в случае использования оптических методов считывания требуют и сложной аппаратуры на КП, и поэтому являются весьма дорогим при построении систем, охватывающих большие территории. В то же время, инверсные методы приближения позволяют минимизировать объемы бортовой аппаратуры – радиомаяка, либо вовсе обойтись без устанавливаемой на автомашину аппаратуры. Основное применение данных систем – комплексное обеспечение охраны автомашин, обеспечение поиска автомашин при угоне. Примером подобной системы является система «КОРЗ-ГАИ», обеспечивающая фиксацию приближения угнанной оборудованной автомашины к посту ГАИ.

Наиболее развита сеть дорожных указателей, с помощью которых реализуются системы как прямого, так и инверсного приближения в Японии. Дорожные указатели в Японии образуют общенациональную сеть. В Европе в 70-80гг. активно внедрялись системы избирательного обнаружения, идентификации и определения местонахождения транспортных средств, разработанных фирмами Philips и Cotag International Ltd (Великобритания). Дорожные указатели в виде электромагнитных петель размещаются непосредственно в дорожном покрытии. На ТС устанавливается полуактивный импульсный радиоответчик, включаемый при воздействии на него электромагнитного поля петли. В настоящее время в европейских странах активно действует компания ANANDA Holding AG. Начиная с 1992г. во Франции, а затем в 12 странах Европы и в Мексике разворачиваются системы INMED/VOLBACK, предназначенные для обнаружения местонахождения похищенных автомашин. Приемные антенны контрольных пунктов встраиваются в дорожное покрытие, столбы и прочие элементы оформления проезжих частей. Передатчик на автомашине имеет размеры около 5х4х2 см. Контрольные пункты связаны в единую общеевропейскую сеть. Во Франции 1500 КП образуют 400 зон. По оценке французских специалистов эффективность возврата угнанных автомашин, оборудованных передатчиками системы INMED/VOLBACK, составляет более 85% против 60% для необорудованных автомашин. Общая численность оборудованного автотранспорта в Европе по оценке ANANDA Holding AG должна составить не менее 500 тысяч автомашин.

Контрольные вопросы

1. Специальные автоматические устройства для мониторинга работы транспортных средств. Краткая характеристика.

2. Виды чип-карт для цифровых тахографов.

3. Системы определения местоположения транспортных средств.

4. Способы определения местоположения транспортных средств.

5. Спутниковые навигационные системы для определения местоположения ТС.

6. Определение местоположения подвижного объекта с помощью наземных передатчиков.

7. Определение местоположения подвижного объекта с помощью системы контрольных пунктов.