CC BY
131
МОДЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКИ И ЧАСТОТНОГО СДВИГА РАДИОСИГНАЛА, ПРИНЯТОГО ОТ СПУТНИКА-РЕТРАНСЛЯТОРА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ СТАНЦИИ
Волков Руслан Вячеславович,
к.т.н., доцент кафедры радиоэлектронной разведки и радиоэлектронной борьбы Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Саяпин Виталий Никитович,
к.т.н., старший преподаватель кафедры pадиоэлектронной разведки и радиоэлектронной борьбы Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Севидов Владимир Витальевич,
адъюнкт кафедры радиоэлектронной
Указываются данные о практических испытаниях агентства РЕКА совместно с ЕиТЕЬБАТ по определению местоположения незаконно работающего наземного передатчика спутниковой связи. Отмечается активность исследований в области определения местоположения земных станций в США, Великобритании, Японии, Германии и Франции, а также интерес ряда отечественных ведущих научно-производственных и учебных организаций по созданию системы определения местоположения земных станций. Раскрывается основополагающая предпосылка разрабатываемой системы. Обосновывается необходимость создания модели измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора. Представлена геометрическая основа модели, включающая земную станцию, спутник-ретранслятор и комплекс радиомониторинга. В качестве примера рассматривается земная станция, размещенная на самолете. Входные параметры модели условно разбиты на три категории: регулируемые входные параметры, контролируемые входные параметры, неконтролируемые входные параметры. В роли выходных параметров модели выступают частота и время принимаемого радиосигнала. На этапе исследования в качестве регулируемых параметров поочередно могут выступать все входные параметры. Представлены формулы пересчета координат объектов из геодезической системы координат в декартову. Раскрывается порядок расчета наклонных дальностей и углов места для передающей земной станции и комплекса радиомониторинга. Учтено влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн.
Показаны аналитические выражения расчета временных задержек прихода радиосигнала при прохождении через тропосферу и ионосферу. Раскрыты различные составляющие частоты радиосигнала, принимаемого комплексом радиомониторинга. Определены аналитические выражения, которые в совокупности составляют модель измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора. Обозначено направление дальнейшего исследования, посвященное определению параметров движения ЗС на основе разностно-доплеровских измерений.
Для цитирования:
Волков Р.В., Саяпин В.Н., Севидов В.В. Модель измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора при определении местоположения земной станции // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. -Том 10. - №9. - С. 14-18.
For citation:
Volkov R.V., Saypin V.N., Sevidov V.V. Model measuring the time delay and frequency shift of the radio signal received from the satellite repeater in locating ground terminal. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.9, рр. 14-18. (in Russian)
разведки и радиоэлектронной борьбы Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Ключевые слова: модель, спутник-ретранслятор, земная станция, координатометрия, комплекс радиомониторинга, определение местоположения, временная задержка, частотный сдвиг.
В Европе в 80-90-ых годах прошлого века в агентстве DERA (Defence Evaluation and Research Agency) совместно с EUTELSAT проводились практические испытания но определению местоположения (ОМП) незаконно; работающего наземного передатчика спутниковой связи [1 ].
Проведенный анализ патентов и научных публикаций, показывает, что в настоящее время исследованиями в области ОМП земных станций (ЗС) по сигналам, принятым от Спутников-ретрансляторов (CP) на сегодняшний день активно занимаются в США, Великобритании, Японии, Г ермании и Франции. Коммерческие и научные организации указанных стран ведут как теоретическую работу, связанную с оформлением патентов, опубликованием статей, гак и практическую работу, направленную на разработку, продажу и эксплуатацию систем ОМП ЗС. В последние годы отмечается интерес ряда отечественных ведущих научно-производственных и учебных организаций по созданию системы ОМП ЗС,
Основополагающей предпосылкой разрабатываемой системы является наличие помимо «основного» CP, через который организуется канал связи, «смежного» CP, способного ретранслировать те же самые радиоизлучения что и «основной», по с большим ослаблением и другой частотой переноса. Основной и смежный CP используются в качестве опорных точек, относительно которых осуществляется ОМП ЗС. Данный факт накладывает определенные требования к точности и оперативности определения координат основного и смежного CP и предполагает функционирование соответствующей подсистемы [2].
Алгоритм ОМП ЗС основывается на измерении таких параметров, как время задержки - t3 и (или) сдвиг частот -fc различных реализаций одного и того же сигнала ¡3], ретранслированного основным и смежным CP, Указанные параметры являются составными и зависят от ряда факторов, исследование которых обуславливает необходимость создания модели измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора. На рисунке i представлена геометрическая основа такой модели, включающая ЗС /, CP S и комплекс радиомониторинга К.
В качестве примера рассматривается ЗС, размещенная на самолете, который движется со скоростью у u плоскости £1,,
параллельной горизонтальной плоскости ft,, (на нулевой высоте) и находящейся на высоте h, от нее. Азимутом движения самолета является угол у/, отсчитываемый между направлением на север, обозначенном вектором /Z' и направлением движения самолета.
На рисунке I также введены следующие обозначения; Rsi - расстояние от S до I. RSk~ расстояние от S до К, - угол между вектором у{ и осью IS, vs ~ вектор скорости S в пространстве, ©и — угол между вектором ys и осью SI, 0iW -угол между вектором й и осью SK, Rls - радиальная скорость I относительно S - проекция вектора у на ось SI, RSI — радиальная скорость S относительно / - проекция вектора на ось SI, - радиальная скорость S относительно К -проекция вектора & на ось SK.
Входные параметры модели, представленные на рисунке 2 условно разбиты на три категории X, V и W.
П,
К
ц ■ i
/
Ъ- /
Н,
Г *
/Йо
Рис. 1. Геометрическая основа модели
Регулируемые входные параметры X — это исследуемые в данный момент параметры, зависимости от которых следует получить. В варианте, представленном на рисунке 2 к этим параметрам относятся геодезические координаты излучающей ЗС: широта В/, долгота L/ и высота над уровнем моря Ht.
Контролируемые входные параметры V - фиксируются, выступают в качестве условий и ограничений. К этим параметрам относятся:
1. Параметры излучаемого радиосигнала: частота fi, время //.
2. Параметры движения излучающей ЗС: yt и у/.
3. Геодезические координаты принимающей ЗС (КРМ): широт а долгота LK и высота над уровнем моря НК.
4. Координаты СР в декартовой системе координат ( ДСК) Xs, у s,
5. Параметры движения СР в ДСК: д-
6. Частота переноса гетеродина (частота поставки) СР fa-
9. Параметры Земли: - большая полуось эллипсоида Земли, kj - сжатие эллипсоида Земли.
10. Параметры атмосферы: fUI11 — температура, р^м — атмосферное давление, с11ГМ - парциальное давление.
Неконтролируемые входные параметры W - задаваемые в модели ошибки параметров, которые также фиксируются, но задаются с помощью вероятностных величин. К этим параметрам относятся:
1. Нестабильности генераторов частот излучающей ЗС, принимающей ЗС и СР: о//, 6/к, ôfs.
2. Ошибки координат излучающей ЗС: ùj5;. 6L/, S Я/.
3. Ошибки координат принимающей ЗС: SB/,-, àL^, ЙЯд-.
4. Ошибки координат СР: &с5, Ôvs, 8z$.
5. Ошибки параметров движения СР: Sis,Ôps,Ô2b
В представленных ниже формулах неконтролируемые входные параметры не фигурируют, поскольку они уже включены в соответствующие регулируемые входные параметры X.
T-Comm Vol. 10. #9-2016
V - Контролируемые параметры
1. Параметры излучаемого радиосигнала: tj,/¡.
2. Параметры движения излучающей у/.
3. Координаты принимающей ЗС: В^, Нц,
4. Координаты CP:
5. Параметры движения CP: -t>t.v4,r, -
6. Частота «подставки» CP: /с.
7. Параметры Земли: *ij.
8. Параметры атмосферы
X - Регулируемые параметры (вариант). Координаты излучающей 3С: В/, LH¡,
I
Модель распространения радиосигнала на трассе спутниковой линии свя?и
I
V 1\-1ультнты. 11арамегры принимаемого радиосигшци;
W - Нсконтролируемые параметры (ошибки):
1. Нссгабкл ыюстп генераторов частот излучающей ЗС, притихающей ЗС ti CP: 6/(, ó]K. ofs.
2. Ошибки координат излучающей ЗС: allí. ñ!.;. ó!<:
3. Ошибки координат принимающей ЭС; 6В/, ó/-;, о//,.
4. Ошибки коордниат CP: fix.^
5. Ошибки параметров движения C P:. . &
Рис. 2. Функциональное представление модели (вариант)
В роли выходных параметров модели Y выступают частота/к и время 1% принимаемого радиосигнала.
В качестве регулируемых параметров X поочередно могут выступать все входные параметры.
Для решения задачи ОМП ЗС необходимо преобразовать координаты КРМ, CP, ЗС, опорных станций в единую систему координат. Наибольшее распространение получили геодезическая система координат (ГСК) и ДСК. При определении объекта на поверхности Земли, либо в околоземном пространстве, удобно пользоваться ГСК. При пом в качестве координат выступают широта В, долгота L и высота над уровнем моря Н. Начала координат обеих систем координат совмещены с центром Земли — точкой О.
Для производства расчетов, в частности нахождения расстояния между двумя точками пространства, удобнее пользоваться ДСК, в которой осьXнаправлена на Гринвич, ось Z - на север, ось У дополняет систему координат до правой. При этом в качестве координат выступают проекции х, у, z на оси ОХ, OY, OZ соответственно.
Формулы пересчета координат из ГСК в ДСК выглядят следующим образом [4]: x = (N + Н )соч В eos £, i у = {/V + //)cos В sin L, z = ((1 + Я)sin В,
где х, у, z - прямоугольные пространственные координаты точки в ДСК; L, В, Н - геодезические широта, долгота и высота точки, N — радиус кривизны первого вертикала, e-¡ - эксцентриситет эллипсоида Земли,
Значения радиуса кривизны первого вертикала и эксцентриситета эллипсоида вычисляют по формулам:
/5
1 А"
о
Рис. 3. Геометрическая основа определения наклонной дальности и угла места
Расчет наклонных дальностей IS и SK до производится по формулам:
IS = y(xs-x¡)2+(ys ytf
SK = 4(xK-Xx)-+(yK -у,)1 +(zK -zs)2. Расчет углов места р, и рА CP производится в соответствии с выражениями:
J+ y2s + z^s'my, t
р, = arccos(-
-), р, creeos, ¿ЕЗЗ^),
(l)
N = -
- 2)„ - Хт,,
где - большая полуось эллипсоида Земли, к^ — сжатие эллипсоида Земли.
С помощью уравнений (1) рассчитываются декартовы координаты К и /: ,гА-, ук, 2К и X/, у/, г/. Полученные значения позволяют вычислить наклонные дальности /5 и ЗК, а также углы места Р; и р^. Па рисунке 3 в качестве примера представлена геометрическая основа определения наклонной дальности 1$ и угла места р;.
/5 ЭК
где пространственные углы у/ Й Ук рассчитываются по формулам:
= агссок(соз В, со %(1Ч - )), ч^ = агсеоз(со5 Вк соз([.1: -¿у», где - долгота подспутниковой точки.
Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала, относятся к наименее предсказуемым, н в силу этого могут значительно влиять на точность ОМП ЗС, Атмосфера Земли способна влиять на распространение радиоволн, причем это влияние не всегда поддается прогнозированию [5]. Рефракция радиоволн, т.е. искривление пути распространения, вносит дополнительные задержки сигнала.
На распространение радиоволн влияют тропосфера и Ионосфера Задержка сигнала в тропосфере может достигать от 8 до 80 не, что соответствует погрешности измерения псевдодальности от 2,4 до 24 м. Значение тропосферной погрешности зависит от факторов, которые достаточно точно можно определить. К ним относятся метеоданные (атмосферное давление, температура и влажность воздуха), а также угол места СР.
Задержка в тропосфере 7"|р согласно модели Хопфилда [51 состоит из двух компонент:
T-Comm Том 10. #9-20 16
Первая Та определяется влиянием сухой атмосферы, вторая 7",, зависит от содержания водяных паров в атмосфере.
В свою очередь составляющие и Ти. можно рассчитать по формулам:
/«и- - ft
Ь =
10
77,64
(40 136 + 148,72( - 273,16)),
5 sin^/p2 +6,25 10 6 12,96/ 3,718 10s е
sin yffi 2,25 С™
I I ООО,
fos, ={fl +/% + /о„ + fa У~~ '
С
R ,R
и R
где рт, - атмосферное давление, мб; /„м - температура, К; елп1 - парциальное давление, мб, р -угол места в радианах.
Ионосфера - область атмосферы, содержащая значительное число свободных электронов (более тысячи в 1 см3), что обуславливает се диспергирующие свойства.
Дополнительная задержка радиосигнала и ионосфере, например, для диапазона частот Ки достигает 30 не ночью и 150 не днем, что соответствует погрешности измерения дадьносщ 9 и 45 м соответственно.
Задержку в ионосфере можно определить па основе двух-частотпого метода, основанного па эффекте рефракции сигналов в ионосфере [5]. Эффект проявляется в том, что при распространении сигналов с разной несущей частотой вносится разная ионосферная задержка. При использовании двухчастот-ного метода измеряют дальности на двух частотах: 0(/\) и /3(/2). Затем вычисляют разность задержек этих сигналов в ионосфере Д/|2, равную разности дополнительных групповых задержек в ионосфере на частотах {\ и /"-> по формуле:
с
Временная задержка в ионосфере Тя равна:
т ¿'и?
" </,//»)*-Г
Выходной параметр модели 1К, представляющий собой время распространения радиосигнала по фасее: ЗС-СР-КРМ, рассчитывается по формуле:
и = 'д + + Тт + ГКи + 7"Жгр + ТЪги» Ф
где % - время распространения радиосигнала вдоль прямой линии по отрезку /5; время распространения радиосигнала вдоль прямой линии по отрезку 5К-, Т®ф, — временные задержки в тропосфере согласно модели Хопфилда на трассах /5 и 8К: 7"/а„ 7яги — временные задержки в ионосфере, определенные с помощью двух частотно го метода на трассах /5 и ¿¡ЙТ.
Для частоты радиосигнала /к, принимаемого КРМ можно записать аналитическое выражение:
/к ~f^ +/г; +/ож> ^
где // - частота, излучаемая ЗС, 1ок ~ составляющая доплеров-ского сдвига частоты за счет удаления (сближения) ЗС от (со) СР, - составляющая доплеровского сдвига частоты за счет удаления (сближения) СР от (с) ИТ, частота гетеродина (частота "подставки") СР, - составляющая доплеровского сдвига частоты за счет удаления (сближения) СР от (с) К,
При определении второго, третьего и пятого слагаемых правой части уравнения (3), выражение для расчета доплеровского эффекта будет принимать соответствующие виды:
где радиальные скорости формулам:
RB =¡ V, | cos0K > R4 =| Vs | cüs0v, - jtsx Vs | cose, Подставив (4), (5) и (6) в (3) получим:
(4)
(5)
(6)
вычисляются по
R
Í
1 +
(7)
Выражения (2) и (7) в совокупности составляют модель измерения временной задержки и частотного сдвига радиосигнала, принятого от спутника-ретранслятора. Эти выражения позволят с помощью измеренных временных задержек и частотных сдвигов радиосигналов нескольких СР получить параметры положения ЗС: разности расстояний и разности радиальных скоростей, что в конечном счете позволит рассчитать координаты ЗС [6].
Для оценки эффективности разработанной модели было осуществлено имитационное моделирование на ЭВМ, в ходе которого была произведена оценка точностных возможностей системы О МП ЗС на основе разностно-дальномерного метода [7]. Установлено, что более точное определение составляющих временной задержки радиосигнала, принятого от СР, за счет учета параметров трассы: ЗС - СР - КРМ, позволило существенно повысить точность О МП ЗС.
Данная статья не закрывает рассматриваемую тему. Направлением дальнейших исследований может стать решение задачи, посвященной определению параметров движения земной станции на основе разностно-доплеровских измерений различных реализаций одного и того же радиосигнала, принятого от нескольких спутников-ретрансляторов.
Литература
1. Haworth D.P., Smith N.G., Bardelli R., Clemem T. Interférence localisation for Eutelsat satellites - the iirst European iransmitter location system. International Journal of satellite communications. Vol. 15, 1997. Pp. 155-183.
2. Севидов В.В.. Чемаров А.О. Определение координат спутников-ретрансляторов в алгоритме разностно-далыюмерного метода геолокации // Известия высших учебных заведении России. Радиоэлектроника. №3. СПб.: ЛЭТИ. 2015. С. 41-47.
3. Hughes C.J., Parsons J.D.. Professai- IVhite С. Satellite communication systems, 3rd édition / Edited by Evans B.G. Published by The Institution оf Engineering and Technology, London, United Kingdom. Pp. 613-615.
4. Комаровский Ю.А. Использование различных рефереиц-эллипсоидов в судовождении: Учеб. пособие. Изд. второе, перераб. и дополи. - Владивосток: Мор. гос. уи-т, 2005. 341 с.
5. Тяпкин В.Н.. Гарин Е.Н. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т., 2012. 260 с.
6. Волков Р.В., Севидов В В.. Чемаров А.О. Точность геолокации разностно-дальномерным методом с использованием спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. №9. СПб.: ЛЭТИ, 2014. С. 12-19,
T-Comm Vol. 10. #9-2016
MODEL MEASURING THE TIME DELAY AND FREQUENCY SHIFT OF THE RADIO SIGNAL RECEIVED FROM THE SATELLITE REPEATER IN LOCATING GROUND TERMINAL
Ruslan V. Volkov, associate professor of the department 43, candidate of technical sciences of Millitary telecommunications academy named of Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny St. Petersburg, Russia,
Vitaliy N. Saypin, senior lecturer at department number 43 of Millitary telecommunications academy named of Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny St. Petersburg, Russia, [email protected]
Vladimir V. Sevidov, postgraduate student at department number 43 of Millitary telecommunications academy named of Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny St. Petersburg, Russia, [email protected]
Abstract
It specifies the practical test agency DERA in cooperation with EUTELSAT for locating illegally operated terrestrial transmitter satellite communications. There active research in the field of locating earth stations in the US, UK, Japan, Germany and France, as well as the interest of a number of domestic leading academic and industrial organizations to establish such a system. It reveals the underlying premise of the system under development. The necessity of creating a model for measuring the time delay and frequency shift of the radio signal received from the satellite relay. It shows the geometric model of the foundation, including the earth station, the relay satellite and radio monitoring complex. As an example, considered earth station placed on a plane. The input parameters of the model conditionally divided into three categories: adjustable input parameters controlled by the input parameters uncontrollable input parameters. In the role of the output parameters of the model are the frequency and time of the received RF signal. On the stage of the investigation as adjustable parameters in turn can serve all of the input parameters. The formulas for the conversion of geodetic coordinates of objects in the coordinate system Cartesian coordinate system. Expands the procedure for calculating the slant range and elevation angles for transmitting earth station and a complex of radio monitoring. Taken into account the effect of the Earth's atmosphere on the propagation of radio waves. Showing analytical expressions for calculating the time delay of radio signal in the troposphere and the ionosphere. Discloses various components of the frequency of the radio signal received at the radio monitoring complex. Defined analytical expressions, which together constitute a model of measuring the time delay and frequency shift of the radio signal received from the satellite relay. It indicates the direction of further studies on the definition of the parameters of motion of AP-based difference-Doppler measurements.
Keywords: model, relay satellite, ground terminal, complex of radio monitoring, location, range-difference method, koordinatometriya, time difference, frequency shift..
References
1. Haworth D.P., Smith N.G., Bardelli R., Clement T. Interference localization for Eutelsat satellites - the first European transmitter location system. International Journal of satellite communications. Vol. 15, 1997. Pp. 155-183.
2. Sevidov V.V., Chemarov A.O. Opredelenie koordinat sputnikov [Determination of coordinates relay satellites in range-difference system geolocation]. The magazine "Izvestiy vysshyh uchebnyh zavedeniy Rossii" No. 3. SPb.: LETI, 2015. Pp. 41-47. (In Russian)
3. Hughes C.J., Parsons J.D., Professor White G. Satellite communication systems, 3rd edition / Edited by Evans B.G. Published by The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom. Pp. 613-615. (In Russian)
4. Komarovskiy U.A. Ispolzovanie razlichnyh referentz-ellipsoidov v sudovozhdenii. Vladivostok, 2005. 341 p. (In Russian)
5. Tyapkin V.N., Garin E.N. Metody opredeleniy navigatzionnyh parametrov podvizhnyh sredstv s ispolzovaniem sputnikovoy radionavi-gatzionnoy sistemy GLONASS [Methods for determination of navigational parameters mobiles using satellite navigation system GLONASS]. Krasnoyarsk: Sib. Feder. University Press, 2012. 260 p. (In Russian)
6. Volkov R.V., Sevidov V.V., Chemarov A.O. [Geolocation accuracy range-difference method using relay satellites in geostationary orbit]. The magazine "News ETU LETI" No. 9. SPb.: LETI, 2014. S. 12-19. (In Russian)
