ZASTOSOWANIE METODY SDF DO PRZESTRZENNEGO MONITORINGU ELEMENTÓW WOJSKOWYCH SIECI ŁĄCZNOŚCI

Transkrypt

1 SYSTEMY ROZPOZNANIA I WALKI ELEKTRONICZNEJ PISZ 3 5 LISTOPADA 1 KNTWE 1 ZASTOSOWANIE METODY SDF DO PRZESTRZENNEGO MONITORINGU ELEMENTÓW WOJSKOWYCH SIECI ŁĄCZNOŚCI Jan M. KELNER, Cezary ZIÓŁKOWSKI Instytut Telekomunkacj Wydzału Elektronk Wojskowa Akadema Technczna -98 Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kalskego Streszczene Referat pośwęcony jest problematyce jednoczesnej lokalzacj welu źródeł promenowana fal radowych. Przedstawono w nm możlwość wykorzystana do tego celu metody bazującej na efekce Dopplera oraz analzy spektralnej odberanych sygnałów. Na podstawe przeprowadzonych badań symulacyjnych zaprezentowano wynk umożlwające ocenę dokładnośc wymagań czasowych realzacj procedury lokalzacyjnej. 1. WPROWADZENIE Jednym z zasadnczych elementów decydujących o skutecznośc prowadzena walk radoelektroncznej jest rozpoznane. Jego główne zadane koncentruje sę przede wszystkm na lokalzacj źródeł emtujących fale radowe. W praktyce do określana położena źródeł sygnałów znajduje zastosowane sześć przedstawonych ponżej metod ([1]-[6]): Cell Of Orgn (COO), Tme Of Arrval (TOA), Tme Dfference Of Arrval (TDOA), Receved Sgnal Strenght (RSS), Asssted GPS (A-GPS), Angle of Arrval (AOA). Każda z powyższych metod ma swoje zasadncze wady. Wykorzystane perwszych czterech możlwe jest tylko w przypadku, gdy lokalzowane źródło sygnału jest jednym z elementów funkcjonującym w danym systeme radokomunkacyjnym. Ostatna z wyżej wymenonych metod bazuje na wykorzystanu namaru, tj. kerunku na źródło promenowana względem lokalzacj układu namerzającego. Metoda AOA umożlwa wyznaczane położena źródeł sygnałów funkcjonujących w warunkach pełnej nezależnośc od systemu realzującego procedury namaru. Fakt ten umożlwa wykorzystane tej metody w zastosowanach mltarnych w systemach bezpeczeństwa publcznego. Jednakże jej użyce do wyznaczana kerunku na źródło promenowana wymaga stosowana rozbudowanych systemów antenowych oraz wymany nformacj pomędzy poszczególnym elementam systemu namerzana [7]. W zakrese rozpoznana radoelektroncznego pożądane jest prowadzene jednoczesnej lokalzacj welu źródeł promenujących fale radowe. Umożlwa to rozpoznane struktury przestrzennego usytuowana poszczególnych elementów ugrupowana bojowego. Dotychczas stosowane metody wykorzystujące namerzane radowe (AOA) wymaga do realzacj tego zadana zaangażowana welu stanowsk radowych. Z powodu statycznego charakteru tego systemu w znacznej merze utrudnona jest realzacja dynamcznych zman położena systemu rozpoznana. Lokalzacja źródeł sygnałów radowych wymaga udzału wszystkch elementów (namernków) tego systemu, a uzyskane dane muszą być poddane jednoczesnej analze.

2 Stosowane obecne systemy namerzana ne mają możlwośc jednoczesnej lokalzacj welu źródeł sygnałów radowych. Oprócz tego problemem jest zapewnene moblnośc systemu lokalzacj wynkającej z potrzeby nadążana za dynamcznym zmanam położena ugrupowań bojowych. Jednym ze sposobów praktycznego rozwązana tego zagadnena jest wykorzystane namernków radowych usytuowanych na statkach powetrznych, co przedstawono m. n. w [8] [9]. Jest to tzw. metoda namarowa z poruszającej sę stacj odborczej ([1]). Opracowana przez autorów nnejszego referatu metoda, bazująca na wykorzystanu efektu Dopplera, stwarza możlwość jednoczesnej lokalzacj źródeł emsj fal radowych za pomocą autonomcznego, moblnego układu pomarowego. Podstawę dopplerowskej metody lokalzacj, zwanej równeż metodą SDF (Sgnal Doppler Frequency locaton method) stanow zależność analtyczna ([11], [1]): f D kf x vt x f k 1 k x vt 1 k y z, (1), t f x, t gdze: k v c, v prędkość odbornka pomarowego, c prędkość śwatła, f częstotlwość sygnału nadawanego przez źródło, x x, y, z współrzędne położena źródła sygnału w lokalnym układze współrzędnych. Dokonując przekształcena powyższej równana można uzyskać następujące zależnośc na współrzędne położena lokalzowanego źródła sygnału ([1]-[16]): gdze: założenu: 1 t1a t t1 x v A t 1 A t 1 y 1 k 1 F t, t Ft A t At vt t, t At1 At At A t 1 1 z, (), fd 1 k F k. Powyższe zależnośc są słuszne przy f k z z const., tj. stanowsko pomarowe przemeszcza sę na stałej wysokośc. Procedurę wyznaczana współrzędnych położena źródła fal radowej można zatem sprowadzć do pomaru wartośc chwlowej częstotlwośc f x,t sygnału odberanego przez przemeszczające sę z określoną prędkoścą stanowsko pomarowe. Na podstawe rejestrowanych danych dokonywane jest w czase rzeczywstym wyznaczene lokalzacj promenującego źródła sygnału.. SCENARIUSZ BADAŃ SYMULACYJNYCH W przeprowadzonych badanach symulacyjnych, przeanalzowano sytuację przedstawoną na rysunku 1. Celem przeprowadzonych badań była ocena skutecznośc jednoczesnej lokalzacj pęcu nadajnków umeszczonych na wozach dowodzena szczebla taktycznego. Wykorzystane metody AOA w tym przypadku wymaga przeprowadzena procedur namerzana kolejnych źródeł sygnałów, które pracują na różnych częstotlwoścach. W badanach symulacyjnych przyjęto następujące założena. Autonomczny system lokalzacj metodą SDF (R) umeszczony na śmgłowcu przemeszczał sę z prędkoścą v km h po trase o długośc L 6km. Przelot śmgłowca odbywał sę na pułape 1 km nad prawe płaską powerzchną Zem w terene otwartym. Umożlwło to sprowadzene problemu lokalzacj

3 do wyznaczana tylko dwóch współrzędnych położena (T ), gdze 1 N 5 ( z z 1m const. ). x, y poszczególnych źródeł sygnałów Rys. 1. Scenarusz badań symulacyjnych W tabel 1 zameszczono, przyjęte w scenaruszu wartośc współrzędnych x, y, z położena nadajnków radowych oraz częstotlwośc f, na których one pracują. Dla uproszczena realzacj procedury symulacyjnej założono, że wszystke źródła sygnałów emtują fale monochromatyczne. Tabela 1. Współrzędne położena lokalzowanych źródeł pracujących w sec oraz częstotlwośc nadawanych sygnałów Numer źródła Współrzędne położena źródła sygnału radowego Częstotlwość x [m] y [m] z [m] f [MHz] , , , , ,8 Jednocześne założono, że mnmalna wartość stosunku mocy sygnału lokalzowanego źródła do mocy szumu wynos SNR mn 5dB, a zastosowany w systeme lokalzacyjnym odbornk jest szerokopasmowy. Podstawowe parametry pracy odbornka zawarto w tabel. Tabela. Parametry pracy odbornka szerokopasmowego Parametr Symbol Wartość częstotlwość nośna f R 8.4 MHz szerokość pasma B R 1. MHz częstotlwość próbkowana f s 1.8 MHz W badanach ponadto przyjęto, że mnmalny czas akwzycj sygnału t A, po którym następuje rozpoczęce wyznaczana położena lokalzowanych nadajnków, wynos 9 s. 3

4 3. WYKORZYSTANIE ANALIZY SPEKTRALNEJ DO ODCZYTU CZĘSTOTLIWOŚCI DOPPLERA Jednym z podstawowych parametrów, znajdujących zastosowane do oceny skutecznośc metod lokalzacj, jest dokładność określena współrzędnych pozycjonowanego obektu. W tym przypadku, do oceny dokładnośc metody SDF wykorzystano parametr zdefnowany zależnoścą ([1] [16]): x y r x x y y, (3) gdze: r mara dokładnośc lokalzacj na płaszczyźne, zwana dalej błędem lokalzacj, x, y błędy wyznaczena poszczególnych współrzędnych, x, y, z rzeczywste położene źródła sygnału, x, y, z współrzędne położena źródła sygnału wyznaczone przez system lokalzacj. W celu uzyskana nezależnośc mary dokładnośc lokalzacj od położena odbornka względem nadajnka uwzględnono równeż błąd względny lokalzacj, zdefnowany następująco: r r 1%, (4) x vt y Analzując zależnośc () można zauważyć, że w metodze SDF bardzo ważny jest pomar wartośc chwlowych częstotlwośc f x,t odberanego sygnału. Z tego też względu, stotnego znaczena nabera wybór metody pomaru częstotlwośc chwlowej sygnału. Dotychczasowe badana pokazały, że wykorzystane do tego celu dyskrymnatora częstotlwośc ne zapewna uzyskana dużej dokładnośc metody SDF. Dlatego też, w procese pomaru częstotlwośc Dopplera f D x,t, zdecydowano sę wykorzystać metodę wdmową. Metoda ta, wykorzystująca algorytm szybkej transformaty Fourera (FFT, Fast Fourer Transform, [17]), umożlwa znaczne wększych dokładnośc odczytu częstotlwośc jest łatwa w praktycznej mplementacj. Oprócz tego metoda daje możlwość jednoczesnej lokalzacj welu źródeł sygnałów radowych wykorzystując analzę wdma w szerokm paśme. Na rysunku przedstawono algorytm metody SDF z uwzględnenem zastosowana analzy spektralnej. Rys.. Algorytm metody SDF 4

5 Odberany sygnał, który poddawany jest analze wdmowej, można przedstawć w następującej postac: gdze: s t N πj f f t t nt A exp D, (5) 1 f częstotlwość sygnału, na której nadaje -te źródło, A ampltuda sygnału -tego n t zakłócena addytywne występujące w kanale radowym. źródła na wejścu odbornka, Zakładając, że znane są częstotlwośc f lokalzowanych źródeł, szerokopasmowe wdmo odberanego sygnału poddawane jest podzałow na wąske podpasma. Zostało to zrealzowane poprzez procedury fltracj, przemany częstotlwośc decymacj. W każdym podpaśme wyznaczono częstotlwość, na której występowała wartość maksymalna wdma ampltudowego. Odczytana wartość odpowadała dopplerowskemu przesunęcu częstotlwośc f D t. W trakce symulowanego przelotu, rejestrowany w jednosekundowych przedzałach czasu sygnał poddawano analze wdmowej, co stanowło podstawę oceny dopplerowskego przesunęca częstotlwośc f D t sygnałów pochodzących od poszczególnych elementów sec radowej. W zastosowanej analze wdmowej zwększono lczbę wyjść algorytmu FFT, co umożlwło uzyskane wartośc podstawowej częstotlwośc analzy f s równej,1 Hz. Powyższa procedura, którą zaprezentowano w publkacjach [14] [15], umożlwła zwększene dokładnośc odczytu częstotlwośc Dopplera. 4. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH W wynku przeprowadzonych badań symulacyjnych uzyskano rezultaty zobrazowane na rysunkach 3-6. Na rysunku 3 przedstawono przykładowe wdmo ampltudowe S f analzowanego sygnału dla wybranego przedzału czasu. Rys.3. Przykładowe wdmo ampltudowe S( f ) odberanego sygnału 5

6 Rysunek 4 lustruje zmany częstotlwośc Dopplera f D dla poszczególnych nadajnków występujące w całym zakrese symulowanego lotu. Na uwagę zasługuje zróżncowany charakter przebegu zman dopplerowskego przesunęca częstotlwośc zależny od ndywdualnego położena poszczególnych źródeł sygnałów. Rys.4. Przebeg zman częstotlwośc Dopplera f D dla poszczególnych źródeł w funkcj czasu t przelotu Na podstawe przebegów dopplerowskego przesunęca częstotlwośc uśrednone wartośc współrzędnych x, f D t wyznaczono y lokalzowanych źródeł sygnałów. Następne oblczono uśrednone wartośc błędów lokalzacj r r. Procedurę wyznaczena współrzędnych metodą SDF rozpoczęto po 9 s symulowanego ruchu stanowska pomarowego. W kolejnych chwlach przelotu, uzyskwane wynk dopplerowskego przesunęca częstotlwośc wykorzystywano do zmnejszena błędu estymacj wartośc współrzędnych. Rysunk 5 6 przedstawa uśrednone wartośc błędów lokalzacj bezwzględnych r względnych r dla poszczególnych źródeł sygnałów. Rys.5. Przebeg uśrednonych wartośc bezwzględnych błędów lokalzacj Δr dla poszczególnych źródeł w funkcj czasu t przelotu 6

7 Rys.6. Przebeg uśrednonych wartośc względnych błędów lokalzacj δr dla poszczególnych źródeł w funkcj czasu t przelotu Jak wynka z zaprezentowanych na rysunku 6 krzywych, w momence rozpoczęca procedury lokalzacyjnej, po czase t A 9s, wartość błędu względnego opsującego dokładność lokalzacj obektu, ne przekracza 1 %. Po około 5 mnutach realzacj procedury lokalzacyjnej błąd bezwzględny osąga wartość mnejszą nż 5 m, co odpowada wartośc błędu względnego mnejszej nż,1 %. 5. PODSUMOWANIE Przedstawona w referace problematyka dotyczy jednoczesnej lokalzacj elementów wojskowych sec łącznośc przy wykorzystanu metody SDF (Sgnal Doppler Frequency locaton method) bazującej na analze spektralnej odberanych sygnałów. Podstawę oceny skutecznośc analzowanej metody stanowły wynk badań symulacyjnych zrealzowane dla przykładowego usytuowana środków radowych pracujących w zakrese pasma UKF wykorzystywanym na szczeblu taktycznym (3 8 MHz). Uzyskane rezultaty pokazują, że zastosowane metody dopplerowskej umożlwa jednoczesną lokalzację welu źródeł pracujących w secach radowych. Zaprezentowane wynk dowodzą możlwośc jednoczesnego wyznaczana współrzędnych położena welu elementów wojskowej sec łącznośc z dużą dokładnoścą. Odpowedn dobór trasy pomarowej (przelotu) w stotny sposób może przyczynć sę do zwększena skutecznośc metody dopplerowskej poprzez skrócene czasu lokalzacj zwększene dokładnośc. Zagadnene to przedstawono w publkacjach [15] [16]. Praktyczne zastosowane opracowanej metody może być zrealzowane poprzez wykorzystane autonomcznego stanowska pomarowego, które dodatkowo zapewna dużą moblność systemu lokalzacyjnego. Cechy te stanową zasadnczą przesłankę do praktycznej mplementacj metody SDF w dzałanach prowadzonych przez jednostk rozpoznana radoelektroncznego. PODZIĘKOWANIE Praca naukowa fnansowana ze środków na naukę w latach 8-1 jako Projekt Badawczy Promotorsk MNSW nr N N oraz w latach 1-11 jako Projekt Badawczy Własny MNSW nr N N

8 LITERATURA [1] Y. ZHAO, Standardzaton of moble phone postonng for 3G systems, IEEE Communcatons Magazne, vol. 4, no. 7, pp , July. [] M. VOSSIEK, L. WIEBKING, P. GULDEN, J. WIEGHARDT, C. HOFFMANN, P. HEIDE, Wreless local postonng, IEEE Mcrowave Magazne, vol. 4, no. 4, pp , December 3. [3] I. J. GUPTA, Stray sgnal source locaton n far-feld antenna/rcs ranges, IEEE Antennas and Propagaton Magazne, vol. 46, ssue 3, pp. -9, June 4. [4] A. KÜPPER, Locaton-based servces. Fundamentals and operaton, John Wley & Sons, Chchester, UK, 5. [5] K. W. KOŁODZIEJ, J. HJELM, Local postonng system. LBS applcatons and servces, CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 6. [6] J. STEFAŃSKI, Metody standardy pozycjonowana termnal w systemach komórkowych, Przegląd Telekomunkacyjny Wadomośc Telekomunkacyjne, vol. LXXIX, nr 6/6, str , czerwec 6, Wydawnctwo Czasopsm Ksążek Techncznych Sgma-NOT. [7] S. E. LIPSKY, Mcrowave passve drecton fndng, ScTech Publshng, Ralegh, NC, USA, 4. [8] I. KUBICKI, A. PIENIĘŻNY, M. ROSZAK, Lokalzacja źródła emsj z zastosowanem ruchomego namernka, VI Konferencja Naukowo-Technczna nt.: Systemy Rozpoznana Walk Elektroncznej, KNTWE 6, Soczewka k. Płocka, , materały konferencyjne na CD-ROM, 6 str. [9] I. KUBICKI, A. PIENIĘŻNY, M. ROSZAK, Wybrane wynk badań lokalzacj źródła emsj z zastosowanem ruchomego namernka, VI Konferencja Naukowo-Technczna nt.: Systemy Rozpoznana Walk Elektroncznej, KNTWE 6, Soczewka k. Płocka, , materały konferencyjne na CD-ROM, 9 str. [1] A. KAWALEC, G. CZOPIK, Analza jednoznacznośc wyznaczana pozycj emterów w pasywnych systemach rozpoznana radoelektroncznego bazującego na metodze TDOA, VI Konferencja Naukowo-Technczna nt.: Systemy Rozpoznana Walk Elektroncznej, KNTWE 6, Soczewka k. Płocka, , materały konferencyjne na CD-ROM, 8 str. [11] J. RAFA, C. ZIÓŁKOWSKI, Influence of transmtter moton on receved sgnal parameters Analyss of the Doppler effect, Wave Moton, vol. 45, no. 3, pp , January 8, Elsever. [1] C. ZIÓŁKOWSKI, J. RAFA, J. M. KELNER, Lokalzacja źródeł fal radowych na podstawe sygnałów odberanych przez ruchomy odbornk pomarowy [Locaton of rado waves sources on the bass of the receved sgnals by moble measurement recever], Buletyn Wojskowej Akadem Techncznej Nowe Technologe w Telekomunkacj, vol. LV, nr specjalny, str. 67-8, lstopad 6, Wojskowa Akadema Technczna. [13] C. ZIÓŁKOWSKI, J. M. KELNER, L. KACHEL, Ocena dokładnośc dopplerowskej metody lokalzacj źródeł emsj radowych [Accuracy assessment of the Doppler locaton method], Buletyn Wojskowej Akadem Techncznej, vol. LVIII, nr 3(655)/9, str , lpec-wrzeseń 9, Wojskowa Akadema Technczna. [14] J. M. KELNER, C. ZIÓŁKOWSKI, Mnmalzacja błędu lokalzacj źródeł sygnałów radowych w metodze dopplerowskej, Przegląd Telekomunkacyjny, ISSN: , vol. LXXXIII, nr 6/1, str , czerwec 1, Wydawnctwo Czasopsm Ksążek Techncznych Sgma-NOT. [15] P. GAJEWSKI, C. ZIÓŁKOWSKI, J. M. KELNER, Wpływ długośc położena odcnka pomarowego na dokładność lokalzacj źródeł fal radowych metodą dopplerowską, Przegląd Telekomunkacyjny, vol. LXXXIII, nr 8-9/1, str , serpeń-wrzeseń 1, Wydawnctwo Czasopsm Ksążek Techncznych Sgma-NOT. [16] J. M. KELNER, C. ZIÓŁKOWSKI, Zastosowane dopplerowskej metody oceny położena obektów w ratownctwe morskm [Usng the Doppler methodology for object locaton estmaton n lfeboat servce], Zeszyty Naukowe Akadem Marynark Wojennej, vol. XLIX, nr K/(17)/8, str , czerwec 8, Wydawnctwo Akademcke Akadem Marynark Wojennej. [17] M. FRIGO, S. G. JOHNSON, The Desgn and Implementaton of FFTW3, Proceedngs of the IEEE, vol. 93, no., pp , 5. 8