Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов и систем определения местоположения радиосредств 11
1.1. Системы связи с подвижными объектами как источник оперативной информации 11
1.2. Роль системы МО источников радиоизлучений в службах радиоконтроля 12
1.3. Технологии местоопределения в сетях сотовой связи 12
1.3.1. Угломерный метод определения координат 15
1.3.2. Дальномерный и разностно-дальномерный методы определения координат 18
1.3.3. Позиционирование по "радиоотпечаткам" 23
1.3.4. Системы на основе GPS и ГЛОНАСС 26
1.3.5. «Интегрирование» технологий 27
Выводы к главе 1 30
Глава 2. Исследование точностных характеристик систем мо источников радиоизлучений с высокоподнятои антенной ... 32
2.1. Особенности распространения радиоволн диапазона УВЧ в условиях городов и сильно пересеченной местности 32
2.2. Обзор основных существующих моделей и экспериментальных исследований многолучевого канала связи в городских условиях 34
2.2.1.Статистическая модель городской застройки 36
2.2.2.Вероятность прямой видимости 37
2.3. Модель многолучевого распространения радиоволн системы GSM 42
2.3.1. Компьютерное моделирование имитатора релеевских замираний 44
2.4. Определение прямой видимости методом физической оптики. Первое приближение 48
2.5. Влияние экранирующих препятствий на распространение радиосигнала 50
2.6 Программное моделирование работы системы МО с ВПА 53
2.7. Определение технических характеристик системы с ВПА на основе аэростатной технологии 57
2.7.1. Определение размеров аэростата 57
2.7.2. Влияние температур и сопротивления воздуха на подъем аэростата 60
2.7.3. Определение максимальной высоты подъема аэростата с учетом аэродинамических характеристик 63
2.7.4. Расчет времени, требуемого для подъема аэростата 65
2.7.5. Влияние на точность пеленга смещение координат ВПА под воздействием ветровых нагрузок 66
2.8. Корректировка пеленга с учетом смещения координат ВПА 68
2.8.1. Беспроводные промышленные системы сбора и обработки данных 69
2.8.2. Использование радионавигационной системы GPS для определения собственных координат аэростата 70
2.8.3 Программные средства для корректировки пеленга из-за смещения ВПА 71
Выводы к главе 2 74
Глава 3. Исследование вопросов повышения точности угломерного и дальномерного методов позиционирования 77
3.1. Повышение точности угломерной и дальномерной систем МО 77
3.2. Уменьшение погрешности определения азимута угломерной системы МО за счет применения антенных решеток с цифровой обработкой сигнала 77
3.2.1. Характеристики направленности сферической антенной решетки 78
3.2.2 Построение адаптивной цифровой АР 80
3.2. Уменьшение погрешности дальномерной СМО, вызванной потерей временной синхронизации БС 85
3.2.1 Математическая модель стохастической фильтрации с использованием фильтра Калмана 85
3.2.2 Моделирование процесса фильтрации ошибки временной синхронизации с помощью фильтра Калмана 88
Выводы к главе 3 89
Глава 4. Построение системы МО с ВПА 91
4.1. Структурная схема системы МО с ВПА 91
4.2. Принцип функционирования системы МО с ВПА 96
4.3. Решение вопросов, связанных с поворотом системы пеленга под воздействием метеорологических явлений 98
Выводы к главе 4 100
Заключение 101
Список использованных источников информации 107
Приложение П1 114
Программа моделирования многолучевого распространения радиоволн в среде MATHCAD 114
Приложение П2 124
Программное моделирование работы угломерной системы с ВПА 124
Приложение ПЗ 129
Моделирование процесса фильтрации ошибки временной синхронизации с помощью фильтра Калмана 129
- Технологии местоопределения в сетях сотовой связи
- Обзор основных существующих моделей и экспериментальных исследований многолучевого канала связи в городских условиях
- Уменьшение погрешности определения азимута угломерной системы МО за счет применения антенных решеток с цифровой обработкой сигнала
- Решение вопросов, связанных с поворотом системы пеленга под воздействием метеорологических явлений
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие телекоммуникационных технологий предопределило внедрение систем связи с подвижными объектами (ССПО) во многие сферы деятельности человека. На основании действующего законодательства [Л1] ряду министерств и ведомств разрешено добывание информации из технических средств связи в процессе ведения оперативно-розыскных мероприятий (ОРМ).
Рост числа аварий и катастроф различного характера с тяжелыми последствиями - гибелью людей, потерями материальных ценностей, ухудшением экологической обстановки - сегодняшняя реальность. Эксперты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) считают, что спасение человека, получившего травму, на 60-70% определяет то, как быстро ему оказана помощь. Возможность оперативного и точного местоопределения (МО) объекта могла бы упростить эту задачу.
Возрастание роли информации о местоположении источников радиоизлучений (ИРИ) в общем объеме задач управления радиочастотным спектром и получения оперативной информации подтверждают необходимость проведения анализа возможности использования существующих систем МО в данных условиях.
На данный момент разработано достаточно большое число систем позиционирования [Л2], однако все они требуют изменения и дооснащения как базовых станций (БС), так и мобильных станций (МС) и зачастую оказываются неприменимы для нужд ОРМ.
Имеется возможность реализации систем позиционирования, основанных на классических методах радиопеленгации - угломерном, дальномерном, разностно-дальномерном и т.д. Однако эти методы являются малоэффективными (имеют большую погрешность) в условиях плотной городской застройки. Поэтому актуальным остается вопрос исследования методов повышения точности местоопределения источников радиоизлучений в сетях мобильной связи.
Целью диссертационной работы является исследование возможных путей повышения точности МО в системах мобильной связи классическими методами радиопеленгации: угломерным и дальномерным в условиях воздействия многолучевости, а также минимизация погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов. МО. В частности, предлагается повышать точность позиционирования за счет использования высокоподнятой приемной антенны. Под высокоподнятой антенной (ВПА) понимается антенная система, поднятая на высоту, много большую, чем высота городской застройки. Такую систему можно реализовать с помощью привязного аэростата, аэрозонда или высотного дирижабля. Погрешность определения азимутов при использовании угломерного метода МО предлагается уменьшать применением адаптивных сферических антенных решеток. Ошибку временной синхронизации при использовании дальномерного метода предлагается оценивать и минимизировать с помощью фильтра Калмана.
Основные задачи работы:
- исследование и оценка точностных характеристик технологии МО с ВПА в городских условиях;
исследование основных параметров системы с ВПА на основе аэростатной технологии;
имитационное моделирование работы системы МО с ВПА в условиях плотной городской застройки;
исследование возможных вариантов минимизации погрешностей, обусловленных особенностями применяемых методов МО;
разработка структурной схемы системы МО с ВПА.
В работе использованы положения теории распространения радиоволн, математический аппарат теории вероятности и математической статистики, матричного анализа, аналитической геометрии, цифровой обработки сигналов, теории систем автоматического управления в пространстве состояний. . Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен вариант построения системы МО ИРИ в сетях мобильной связи с высокой точностью позиционирования в условиях плотной городской застройки.
Получена цифровая реализация модели многолучевого распространения радиоволн системы GSM.
Обоснован выбор конструкции антенных систем и адаптивных алгоритмов обработки сигналов применительно к задаче МО угломерным методом позиционирования.
Предложен вариант повышения точности МО для дальномерного метода позиционирования с использованием фильтра Калмана.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается следующим:
для оценки точностных характеристик системы МО с ВПА использованы известные статистические модели городской застройки, произведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, полученными различными исследователями [ЛЗ];
при разработке системы МО применялось имитационное моделирование и производилось сравнение отдельных результатов с данными, приведенными в литературе.
Основные научные результаты, выводы, а также алгоритмы и программы имитационного моделирования получены и сформулированы автором впервые и лично.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
предложенный вариант построения системы МО позволяет высокоточно определять местоположение источников радиоизлучений в условиях плотной городской застройки;
разработанный автором программный продукт позволяет оценивать эффективность работы системы МО в реальных условиях на этапе ее проектирования;
применение обоснованных адаптивных алгоритмов повышает точность МО при использовании угломерного и дальномерного методов позиционирования.
Результаты диссертационной работы в виде программного продукта и конкретных расчетных данных нашли применение в филиале ФГУП «Радиочастотный центр» Приволжского федерального округа, в электрорадионавигационной камере представительства ОАО «Волготанкер» в республике Та-
тарстан для повышения точности навигационных и радиопеленгационных наблюдений, о чем свидетельствуют полученные акты о внедрении.
Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс по курсу «Системы позиционирования радиосредств» кафедры «Радиосвязи, радиовещания и телевидения» Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XIII Юбилейной Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2006; VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Самара, 2006; XIV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2007; VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2007г., XV Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2008г, XVI Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, г. Самара, 2009 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в журнале «Инфокоммуникационные технологии», включенном в перечень ВАК, 2 статьи в журнале «Вестник СОНИИР», 2 тезиса докладов на международных научных конференциях, 6 тезисов докладов на российских научных конференциях и свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.
Основные положения, выносимые на защиту:
Построение системы МО ИРИ с ВПА, реализованной на основе аэростатной технологии, с высокой точностью позиционирования в условиях плотной городской застройки.
Результаты исследования характеристик системы МО с ВПА.
3. Пути повышения точности МО угломерным и дальномерным методами
позиционирования.
4. Вариант построения структурной схемы системы МО с ВПА.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования и 3 приложений, содержит 132 страницы текста, в том числе 37 рисунков.
Технологии местоопределения в сетях сотовой связи
Решение задачи местоопределения радиотелефонов в ССПО началось с простейшего метода, который получил название Cell ID [7]. Этот метод, а также его модификации представлены на рисунке 1.1. Метод Cell ID базируется на определении местоположения абонента с точностью до соты путем фиксации базовой станцией (БС) сигнала радиотелефона, а при приеме несколькими станциями - определения максимальной амплитуды сигнала.
В пикосотах погрешность данного метода может достигать 150 м, а в макросотах — 20 км. Повышение точности местоопределения достигается применением на базовых станциях секторных антенн (рис. 1.1,6).
Более высокую точность определения местоположения мобильной станции в ячейке обеспечивает технология Cell IDA (Timing Advance), основанная на определении величины задержки распространения сигнала от базовой станции до мобильной в пределах ячейки (рис. 1.1 в,г). Для определения ТА в режиме ожидания система определения местоположения инициирует пейджинг мобильной станции, в результате сеть получает идентификатор BTS и значение величины задержки ТА. Точность определения зависит от топологии радиосети. Кроме того, параметр ТА дискретный и позволяет определить путь прохождения сигнала с точностью, не превышающей примерно 500 м. Достоинства метода - его простота, недостаток -большая погрешность МО. Большинство современных предложений систем МО на основе сотовых сетей базируется на трех более современных конкурирующих технологиях [7,8]: технологии ТОА (Time of Arrival), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигнала от мобильного телефона (МТ) абонента до нескольких БС; технологии OTD (Observed Time Difference), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигналов от нескольких БС до МТ абонента; технологии A-GPS (Assisted Global Positioning System), основанной на встраивании GPS-приемников в мобильные телефоны.
Основные принципы, положенные в основу каждой из технологий, достигаемая точность, достоинства и недостатки методов приведены в таблице 1. Таблица Наименованиетехнологиипозиционирования Основной принцип Преимущества Недостатки Достигаемая точность, м Time of Arrival (ТОА) Измерение и сравнение интервалов времени прохождения сигнала от радиотелефона до нескольких (не менее 3-х) БС. 1. Не требуется замена сотовых телефонов и модификация их программного обеспечения. 1. Необходимостьбольших затрат нарасширение инфраструктуры сети (установка модулейLMU) и модификацию программногообеспечения.2. Жесткие требования к временнойсинхронизации элементов системы До 125
Observed Time Difference (OTD) Измерение и сравнение интервалов времени прохождения сигналов от нескольких БС доМТ 1. Снижение затрат на установку модулей LMU по сравнению с методом ТОА (примерно в 4 раза) 2.Отсутствие необходимости жесткой временной синхронизации 1 .Необходимость изменения программного обеспечения радиотелефонов или использования новых моделей аппаратов До 100 Продолжение таблицы Совмещение 1.Высокая точ- 1 .Необходимость ис- сотовых те- ность позициони- пользования новых лефонов с рования. моделей телефонов с приемниками 2.Глобальное по- большими габарита- системы крытие ми, весом, энергопо- спутниковой треблением и стои- Assisted GlobalPositioning System(A-GPS) радионавигации GPS мостью.2. «Мертвые зоны»для МО в зданиях,туннелях, в условияхплотной городскойзастройки, под плотной листвой и т.д.3. Длительное времяинициализации GPS-приемника От 10
В специализированных системах при определенном дооснащении базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, основанное на классических методах радиопеленгации - угломерном, дальномерном и разностно-дальномерном.
При реализации угломерного метода (метод определения направления прихода сигнала - Angle of Arrival - АО А) измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона (азимуты) 9Х и вг (град) относительно линии (базы), соединяющей две базовые станции сети (рис. 1.2).
Для определения направления прихода сигналов сотовых телефонов используются фазированные антенные решетки (ФАР), устанавливаемые на базовых станциях сети и подключаемые к существующему оборудованию системы связи. Определить азимуты можно также используя фазовые интерферометры [6]. Нахождение местоположения абонента осуществля ется при приеме сигналов его мобильного телефона хотя бы двумя приемниками.
Одним из разработчиков угломерных СМО является компания KSI Inc. В ее системе TeleSentinel [11] пеленгование осуществляется как по сигналам канала управления, так и речевым сигналам, без внесения каких-либо модификаций в мобильное оборудование. А так как канал управления МС активен даже когда он не используется для переговоров, информация о положении может генерироваться независимо от наличия вызовов. Система может применяться и с любым форматом сигнала.
Нахождение местоположения беспроводных устройств связи система TeleSentinel осуществляет при приеме сигналов всего двумя приемниками. В случае, если сигнал получен только одним приемником, для определения местоположения может использоваться дополнительная информация на основе оценки амплитуды сигнала.
К числу достоинств данного метода относится независимость работы станций, каждая из которых дает информацию об азимуте МС. При этом все необходимые калибровки приемников для компенсации разброса их параметров, влияния изменений температуры и т.п. локальны для каждой станции и не налагают дополнительных требований на всю сеть. Кроме этого, данный метод может быть использован для нужд служб, осуществляющих ОРМ, т. к. данный метод позволяет определять координаты МС без вовлечения в этот процесс самого абонента. Однако для достижения требуемой точности необходимо определение пеленгов с весьма малой по грешностью. В таблице 2 приведены расчеты минимальных погрешностей угломерного метода для различных расстояний между БС и погрешностей определения азимутов.
Существуют также проблемы практического характера. Во-первых, точность определения направления приема прямо пропорциональна ширине ДН применяемой антенны, т.е. требуются адаптивные и интеллектуальные (smart-antennas) антенные решетки. Во-вторых, из-за эффекта многолучевого распространения радиоволи не всегда можно отличить прямой сигнал мобильной станции от переотраженных. Эта проблема не является специфической для данной технологии и характерна для большинства технологий определения местоположения.
При реализации дальномерного метода (рис. 1.3) измеряемыми параметрами являются временные задержки Ат, (с) и Дг2 (с) 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 гх =3 -105 -А г, (км) и г2 =3 -105 -Ат2 (км) [10].
Таким образом, при реализации дальномерного способа, положение МС определяется точкой пересечения двух окружностей с радиусами, равными расстояниям между БСі и БСг и МС. Решением системы (1.4) являются две точки пересечения окружностей, одна из которых будет истинным положением МС.
Дальномерный метод требует жесткой синхронизации временных шкал БС. Так, при расстоянии между БС 10 км и ошибке измерения временных интервалов ат = 10 7 с погрешность местоположения составляет 43 метра, при ат = \мкс - 427 метров, а при JZ = 10 5 с ошибка увеличивается до 4.2 км, что неприемлемо для современных систем местоопределе-ния.
Обзор основных существующих моделей и экспериментальных исследований многолучевого канала связи в городских условиях
Сложность распространения радиоволн УВЧ диапазона определяет весьма приближенный характер построения математических моделей распространения радиоволн, подкрепляемых экспериментальными данными.
Такие экспериментальные исследования были проведены Окамурой [25], Хата [26], У. К. Ли [27], Туляковым [28], Локшиным [29] и др. По результатам исследований были построены эмпирические методики расчета напряженности поля в точке приема.
В [30] предложена пространственная гауссовская модель многолучевого канала связи для городских условий, которая предполагает распределение рассеивателей вокруг МС по гауссовскому закону (до этой модели существовали: классическая модель Кларка [31], предполагающая равномерное распределение рассеивателей в кольце с центром в точке расположения приемной антенны и круговая модель многолучевого канала [32], основанная на предположении, что рассеиватели равномерно распределены внутри окружности с центром в точке расположения приемной антенны).
Однако все эти модели и методики не позволяют определить зависимость «высота приемной антенны - изменение влияния многолучевости на радиосигнал — точность пеленгации».
В исследованиях Окамуры описывается зависимость мощности сигнала от высоты антенн. Согласно его исследованиям, изменение напряженности поля принимаемого сигнала с расстоянием и высотой антенны остается, по существу, одинаковым для всех частот в диапазоне от 200 до 2000 МГц. Для расстояний между антеннами менее 10 км мощность принимаемого сигнала изменяется почти пропорционально квадрату высоты антенны БС (6 дБ на октаву) [25, 33]. При очень больших высотах антенны БС и больших расстояниях (более 30 км) мощность принимаемого сигнала становится почти пропорциональной кубу высоты антенны (9 дБ на октаву).
Параметром служит расстояние между антеннами. Рассчитанные теоретически зависимости медианного значения мощности принимаемого сигнала нормированы к мощности при высоте антенн БС - 200 м и МТ - 3 м.
Изменение мощности принимаемого сигнала при увеличении высоты антенны БС Кроме чисто эмпирических, имеются статистические модели распространения радиосигнала, вывод которых базируется на аналитическом подходе. Наиболее последовательный из таких подходов предложен в работах Пономарева, Куликова и Тельпуховского [34,35,36]. Суть его заключается в использовании для приближенного расчета интенсивности поля формулы Кирхгофа с геометрооптическим определением «освещенных» отражающих площадок и последующим усреднением по входящим в формулу параметрам городской застройки. Для доказательства повышения точностных характеристик системы МО достаточно рассмотреть только часть метода, т.к. для систем МО важна одна из характеристик - вероятность прямой видимости между пунктами. Рассмотрим некоторые аспекты данной модели.
Современные города с точки зрения распространения радиоволн представляют собой столь сложную среду, что ее математическое описание немыслимо без упрощений, определяемых целями конкретной задачи. необходимо выделить главные факторы, оказывающие решающее влияние на результат расчета.
Для ОВЧ-УВЧ большинство крупных городских строений практически непрозрачны, их размеры во много раз превышают длину волны. Это приводит к образованию в городе обширных теневых зон, что в значительной степени определяет свойства формирующего поля.
Как отмечено выше, определяющую роль при распространении УКВ в городе играют затенения, создаваемые зданиями. Поэтому важнейшей величиной является вероятность прямой видимости между приемной и передающими антеннами. Для доказательства повышения точности системы пеленга с ВПА достаточно оценить, насколько повышается вероятность прямой видимости при подъема антенны.
Для этого сначала рассмотрим пересечения прямых линий, выходящих параллельно поверхности земли из источника, расположенного ниже крыш зданий, со стенами домов. Считая застройку данного района города статистически однородной и изотропной [31], предположим, что среднее число пересечений на единице длины у0 не зависит от координат х, у и направления линии. Тогда среднее число пересечений на длине / равно у01. В [32] выдвигается гипотеза о том, что случайные события, состоящие в пересечении прямой линии от источника со стенами зданий, распределены по закону Пуассона. Тогда вероятность т пересечений на отрезке I может быть вычислена по формуле [33] Р1(т)= е-тК (2.1) где Ш — YQI- среднее число пересечений на этом отрезке.
Для проверки применимости сделанных предположений к описанию реальной городской застройки в [30]была проведена статистическая обработка топографических планов нескольких однотипных по характеру застройки современных городских районов. В итоге можно сделать вывод, что предположение о пуассоновском характере распределения Рг (пі) можно считать приемлемым для интервалов, превышающих 0,2 км.
Наиболее важной для последующих расчетов величиной является вероятность прямой видимости между двумя точками, разнесенными на расстоянии I. Она совпадает с вероятностью отсутствия пересечений этого отрезка стенами зданий Р;(0). Формула (2.2) позволяет рассчитать в принятом приближении вероятность прямой видимости между точками в слое городской застройки, если задана плотность пересечений yQ. Однако, для точного расчета у0 необходимо детальное описание модели городской застройки, которое включало бы в себя сведения о форме проекций зданий на плоскость z = 0 и их взаимном расположении. Если же использовать проверенное выше предположение о статистической независимости двух последовательных пересечений, то можно пренебречь существованием минимального разделяющего интервала. При этом множество случайно расположенных на плоскости z = 0 объектов можно заменить при расчете статистических характеристик пересечений множеством плоских отражающих экранов, ортогональных к поверхности земли и расположенных на ней статистически независимо.
Уменьшение погрешности определения азимута угломерной системы МО за счет применения антенных решеток с цифровой обработкой сигнала
Погрешность определения азимута направления прихода сигнала, а, следовательно, и определения местоположения МС угломерной системой МО с ВПА, зависит от вида применяемой антенной системы. Перечислим основные требования, которыми должна обладать приемная антенная система для системы МО с ВПА: - возможность широкоугольного (до 360) сканирования лучом неизменных ширины и формы в реальном масштабе времени; - слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решетками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей; - возможность формирования узкой диаграммы направленности; - возможность сканирования радиосигналов произвольной поляризации.
Такими качествами обладают конформные антенные решетки (АР) с цифровой обработкой сигнала [53]. Построение конформной АР позволяет использовать поверхность аэростата для уменьшения массогабаритных ха рактеристик последнего (новые разработки в сфере нанотехнологий позволяют использовать технологию напыления (металлизации) элементов АР на оболочку аэростата). Кроме того, геометрическая форма АР в виде сферы позволяет осуществлять сканирование в любом направлении, а цифровая обработка сигнала в АР позволяет осуществлять формирование нескольких независимых лучей диаграмм направленности в различных плоскостях [54-58].
Для расчета диаграммы направленности сферической решетки в любой плоскости, проходящей через направление максимума диаграммы, целесообразно использовать вспомогательную систему координат, диаграмма в основной системе определяется путем совмещения осей вспомогательной и основной систем при помощи соответствующей матрицы вращения [60]. На рисунке 3.2 приведена диаграмма направленности, рассчитанная для сферической решетки с числом элементов равным 263 (данное количество элементов было выбрано согласно расчетам по (3.2), (3.3)). Излучатели располагались на поверхности сферы в вершинах почт одинаковых треугольников. Симметрия структуры боковых лепестков определяется симметрией расположения излучателей решетки относительно оси диаграммы.
Одним из способов оценки полезного сигнала является метод максимума энтропии [61], используемый в адаптивном устройстве формирования лучей (реализующем алгоритмы Хауэллза-Аппельбаума) с ненаправленной приемной ДН. Однако в направлениях прихода сигналов формируются провалы. Поскольку эти провалы всегда более узкие, чем лучи, можно точнее выделять направления прихода сигналов и достигнуть в результате этого повышенной разрешающей способности. Однако в таком процессе при отсутствии сигналов на входе в соответствующих направлениях могут возникать ложные провалы.
Для анализа повышенной разрешающей способности рассмотрим адаптивное устройство формирования лучей, реализующее алгоритм максимального правдоподобия [62]. Предположим, что шумы приемника щ, п2,..., пк являются белыми и не коррелированны, а мощность каждого равна а?. На рисунке 3.4 представлены временные диаграммы сигналов на двух первых элементах решетки. Для упрощения расчета ширины луча задержки исключены, а сигнал приходит по направлению с в = 0. Максимальный сигнал на выходе возникает тогда, когда он приходит по направлению приема, т.к. решетка имеет единичный коэффициент передачи по основному лучу в этом направлении. Вследствие процесса адаптивного подавления по мере смещения направления прихода сигнала относительно направления приема коэффициент передачи решетки резко уменьшается, а адаптивное устройство формирования лучей стремится подавить сигнал.
Как было сказано выше (п. 1.3.2), только наличие жесткой синхронизации БС делает целесообразным применение для МО дальномерного метода определения координат. Синхронизация временных шкал БС в системах сотовой связи стандарта GSM обычно осуществляется с помощью служебного канала временной синхронизации (Synchronization Channel -SCH ) [64]. Временную синхронизацию можно обеспечить и с помощью спутниковых навигационных систем GPS или ГЛОНАСС. Однако в спутниковых системах также возможно возникновение ошибок (хоть и не значительных) в ходе атомных часов и орбитах спутников. В обоих случаях ошибки синхронизации представляют собой некоррелированный во времени стохастический процесс [65]. Оценка и минимизация ошибок данного типа относится к задаче стохастической фильтрации, которая может быть решена с использованием фильтра Калмана [66].
Решение вопросов, связанных с поворотом системы пеленга под воздействием метеорологических явлений
Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система позиционирования ИРИ с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение места положения ИРИ угломерным методом. Данную проблему можно решить, используя современные разработки в области беспроводных высокоскоростных сетей.
БС, оснащенную системой с ВПА назовем ведущей, все остальные БС — вспомогательными. Современные беспроводные сетевые радиоисточники, такие как Bluetooth , точки доступа [71], сами БС и т.д. используют протоколы, подразумевающие наличие уникального идентификатора. Данные устройства имеют в своем составе передатчик, который может регулярно посылать служебные кадры. Наличие индивидуального идентификационного номера передатчика позволяет однозначно определить его. А так как местоположение его стационарно и координаты его известны, ведущая БС таким образом имеет возможность подстроить пеленгационные данные, приходящие от ИРИ. Т.е., в определенный момент времени на антенную систему приходят два нужных нам сигнала: один — сигнал вспомогательных БС, требуемый для уточнения направления прихода сигнала, другой — от пеленгуемого источника ИРИ. Точно зная направление прихода первого сигнала, система может оценить пространственное направление второго.
Выводы к главе 4 1. Система МО с ВПА состоит из аэростатного комплекса и диспетчерского пункта. Обмен и передача данных между составными частями системы обеспечивается службами сети GSM. 2. Аэростатный комплекс состоит из адаптивной антенной системы, двух приемников и терминального модуля. 3. Терминальный модуль содержит приемопередатчик GSM, GPS или ГЛОНАСС контроллер, блок сопряжения с антенной системой, блок обработки аналоговых сигналов, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с исполнительными устройствами, блок сопряжения с источниками питания и микроконтроллер. 4. Программно-технический комплекс диспетчерского пункта представляет собой комплекс информационных, программно-технических и технологических средств, обеспечивающий сбор, анализ и накопление сведений позиционирования контролируемого объекта, выработку и передачу управляющих воздействий, соответствующих сложившейся ситуации. 5. Под воздействием ветра и других метеорологических явлений система МО с ВПА, закрепленная на одном тросе будет хаотично поворачиваться вокруг своей оси. Это явление затрудняет, а порой делает невозможным, определение местоположения ИРИ угломерным методом. Данную проблему можно решить, используя современные разработки в области беспроводных высокоскоростных сетей.
На основании действующего законодательства ряду министерств и ведомств разрешено добывание информации из технических средств связи в процессе ведения ОРМ.
Система МО, основанная на использовании «радиоотпечатков», дает большую погрешность, т.к. сигнатура сигнала сильно зависит от расположенных рядом с передатчиком объектов, а также может существенно измениться при перемещении передатчика. Кроме этого существует ряд ситуаций, когда этот метод вообще не применим.
При использовании GPS и A-GPS обеспечивается достаточно высокая точность местоопределения ИРИ и глобальное покрытие. Однако при этом требуется модификация радиотелефона путем добавления в него GPS приемника и средств передачи координатной информации в сотовую сеть, а также зона определения координат имеет ограничения, связанные с возможностью потери сигналов спутников в закрытых помещениях, низинах, центрах городов или под плотной листвой. Кроме этого, этот метод не применим к задачам оперативно-розыскных мероприятий, т.к. приемник GPS в МС может отсутствовать или отключаться.
В специализированных системах МО при определенном дооснаще-нии базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, основанное на классических методах радиопеленгации - дальномерном, разностно-дальномерном и угломерном.
По результатам анализа существующих систем МО, можно сделать вывод, что оптимальными методами для нужд ОРМ является угломерный и дальномерный методы определения координат. Однако, без специальных технологий угломерный и дальномерный методы дают в условиях много-лучевости большие погрешности. Кроме этого, на точность позиционирования влияют погрешности, обусловленные спецификой каждого из этих методов.
