Экспериментальная оценка эффективности местоопределения и идентификации источников радиоизлучения диапазона коротких волн

Поиск путей повышения эффективности радиомониторинга включает в себя совершенствование технологий определения местоположения и идентификации источников радиоизлучения (ИРИ). С использованием координатной информации, инвариантной к контрастности демаскирующих признаков в различные моменты времени, проводится анализ динамических состояний объектов при смене режимов работы и применении мер маскировки и снижения заметности [1]. По результатам идентификации излучателей на основе сравнения параметров классификации [2] с номинальными значениями из банка эталонных описаний устанавливается их принадлежность информационно-коммуникационным системам, что обеспечивает комплексный анализ обстановки [1; 2].

В диапазоне коротких волн (КВ), где структура и характеристики сигналов, распространяющихся в радиоканалах, могут существенным образом изменяться за счет рефракции в ионизированных слоях атмосферы, а также интерференции поверхностных и пространственных волн [3–5], местоопределение ИРИ выполняется угломерным и угломерно-дальномерным методами [6].

Первый из указанных методов базируется на фиксации направлений прихода сигналов в про- странственно разнесенных позициях и нахождении местоположения ИРИ по координатам точек пересечения пеленгов [7]; реализация второго метода включает в себя однопунктное пеленгование, построение с использованием данных о высоте ионизированных слоев атмосферы лучевых траекторий сигналов и определение дальности до излучателей [8].

В предлагаемой работе по результатам испытаний двухпозиционной системы азимутальноугломестных пеленгаторов [8] в период с июня по декабрь 2015 года исследованы среднеквадратические ошибки (СКО) угломерной оценки координат:

– радиостанций метеоинформации аэродромных сетей Российской Федерации и ближнего зарубежья;

– радиостанций стандартных частот и времени;

– передатчиков телекодовых (ТЛК) сообщений и непрерывных сигналов с амплитудной модуляцией (АМ) на фиксированных частотах (ФЧ) и с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

С применением одиночного пеленгаторного поста и станции вертикального зондирования ионосферы в тождественных условиях найдены погрешности местоопределения этих объектов угломерно-дальномерным методом.

Получены оценки вероятности правильной идентификации ИРИ и вероятности ложной тревоги в угломерных и угломерно-дальномерных системах.

Цель работы – анализ эффективности местоо-пределения и идентификации ИРИ КВ-диапазона.

В пеленгаторных постах использовались активные антенные решетки из 16 вибраторов высотой 2,5 м, расположенные на площади размером 200 х 200 м, и синхронизированные когерентные радиоприемные устройства с преобразованием частоты. За счет предварительной калибровки антенно-фидерного тракта при настройке на частоту пеленгуемого сигнала фазовая неидентич-ность каналов приемника не превышала 3 ° , амплитудная неидентичность – 2 % [8].

В летний период пеленгаторы развертывались в Центральном и Северо-Западном федеральных округах на удалении 1000 км; в осенне-зимний период измерения проводились при размещении пеленгаторных постов в Центральном и Южном федеральных округах с базой 500 км. Геометрические факторы угломерных систем, выбираемые из условия достижения наименьшей СКО оценок координат излучателей [7], характеризовались максимальным значением угла прихода сигналов в азимутальной плоскости 30 ° и удалением их источников от центра базы пеленгования от 200 км до 6500 км. При однопунктном местоопределении расстояние между пеленгаторным постом и ИРИ изменялось в пределах от 450 км до 6600 км.

Длительность пеленгуемых ТЛК сообщений не превышала 2 минут, время передачи непре- рывных АМ сигналов на ФЧ – 1 часа. Скорость ППРЧ сигналов в диапазоне частот 1500…18000 кГц принимала значения, установленные требованиями по обеспечению помехозащищенности сетей международной, государственной и ведомственной стационарной и подвижной радиосвязи [3; 9], а в диапазоне частот 18000–30000 кГц определялась техническими характеристиками средств магистральной и зоновой связи [3]. Выходная мощность радиостанций изменялась в пределах от 1 до 50 кВт. Измерения проводились в режиме допплеровского разделения лучей [8], из обработки исключались результаты, полученные в периоды естественных возмущений ионосферы [3; 4]. Координаты объекта оценивались по максимальному значению плотности распределения при отношении сигнал-шум на входах пеленгаторов не менее 18 дБ в серии из 10 измерений на каждой частоте. Погрешность оценки местоположения ИРИ вычислялась как математическое ожидание квадрата отклонения результатов измерений от полученной оценки координат в степени 0,5 [10].

В таблице 1 приведены СКО местоопределе-ния радиостанций метеоинформации аэродромных сетей угломерным методом в летний период. Селекция сигналов на совпадающих частотах осуществлялась в соответствии с временным регламентом работы радиостанций [6; 10].

Из анализа результатов следует, что точность выполняемых измерений существенно зависит от частоты обрабатываемых сигналов и геометрического фактора [7] угломерной си-

Таблица 1

Точность местоопределения радиостанций метеоинформации аэродромных сетей угломерным методом в летний период

Местоположение ИРИ Удаление ИРИ от центра базы угломерной системы, км Частота излучаемого сигнала, кГц СКО местоопределения ИРИ (% от дальности) Таллинн 700 4645 4,7 Ростов-на-Дону 1000 6617 8939 6,3 7,6 Самара 1000 6693 8888 4,8 2,8 Сыктывкар 1100 8888 5,6 Екатеринбург 1600 8888 7,9 Тюмень 1800 8888 14,3 Новосибирск 2900 6693 8888 17,2 12,7 Ташкент 3000 8819 10,5 стемы. Погрешность оценки местоположения радиостанции, развернутой в районе г. Самары, на частоте 6693 кГц более чем в 1,7 раза превышает значение, достижимое на частоте 8888 кГц. Показатели точности определения координат радиостанции вблизи г. Новосибирска на указанных частотах различаются в 1,35 раза. При различии удалений от центра базы угломерной системы до 12,5 % СКО местоопределения ИРИ в районе г. Тюмени на частоте 8888 кГц превосходит значение, полученное для радиостанции, размещенной вблизи г. Екатеринбурга, в 4,9 раза вследствие смещения направления прихода сигнала в азимутальной плоскости к максимально допустимому значению [10]. При поступлении сигналов под близкими по значениям углами, не превышающими 30°, СКО местоопределения объектов возрастает пропорционально отношению дальности до них во второй степени к базе угломерной системы.

Установлено, что СКО оценки координат радиостанции вблизи г. Новосибирска при работе в дневное время на частоте 11318 кГц не превышает 9,4 % от дальности. Погрешность ме-стоопределения радиостанции, размещенной в районе г. Ташкента, в дневное время на частоте 11279 кГц составляет 22,4 % от дальности, а в ночное время на частоте 3407 кГц – 18,7 % от дальности. Согласно таблице 1, эти показатели превосходят СКО местоопределения радиостанций на частоте 8819 кГц в 2,13 и 1,78 раза соответственно.

В таблице 2 приведены СКО оценок координат радиостанций метеоинформации аэродромных сетей в летний период угломерно-дальномерным методом.

Согласно таблице 2, точность оценки координат объектов составляет (8,5–21,6) % от дальности. Значительная СКО местоопределения ИРИ в районе г. Новосибирска обусловлена погрешностями построения лучевых траекторий сигналов вследствие флюктуаций плотности электронов [5] и пространственного распределения ионизированных слоев атмосферы. Как показано в [8], на трассах протяженностью около 1000 км вариации направлений прихода сигналов по углу места при 3 отражениях от ионосферы достигают 15 . . 20 ° , а в плоскости азимута — до 4 . . 5 ° .

В таблице 3 приведены погрешности угломерного местоопределения радиостанций стандарт-

Таблица 2

Точность местоопределения радиостанций метеоинформации аэродромных сетей угломерно-дальномерным методом в летний период

Местоположение ИРИ	Удаление ИРИ от пеленгаторного поста, км	Частота излучаемого сигнала, кГц	СКО местоопределения ИРИ (% от дальности)
Таллинн	1300	4645	9,5
Ростов-на-Дону	500	6617 8939	10,2 8,5
Самара	800	6693 8888	7,6 8,9
Сыктывкар	1300	8888	11,9
Екатеринбург	1500	8888	12,3
Тюмень	1800	8888	16,5
Новосибирск	2900	6693 8888	21,6 13,7
Ташкент	2500	8819	15,7

Таблица 3

Точность местоопределения радиостанций стандартных частот и времени угломерным методом в летний период (день/ночь)

Местоположение ИРИ Удаление ИРИ от центра базы угломерной системы, км Частота излучаемого сигнала, кГц СКО местоопределения ИРИ (% от дальности) Москва 200 14996 4996 51,7 65,0 ных частот и времени в различное время суток летнего периода.

Существенные СКО местоопределения обусловлены незначительным удалением ИРИ, при котором углы прихода сигналов к пеленгаторам малы, и геометрический фактор угломерной системы, обратно пропорциональный их значениям [7], даже в направлении нормали к базе пеленгования достаточно велик.

При выбранных позициях пеленгаторных постов достоверная оценка координат радиостанций стандартных частот и времени, размещенных в районах гг. Иркутск, Новосибирск, Таллинн, затруднена ввиду нестабильности их работы и уровней сигналов, превышающих спектральную плотность мощности шумов приемных каналов пеленгаторов менее чем на 18 дБ [6].

В таблице 4 приведены СКО оценки координат радиостанций стандартных частот и времени угломерно-дальномерным методом в дневное и ночное время летнего периода.

Полученные результаты подтверждают выводы [8] о снижении погрешности определения позиций ИРИ по мере повышения частоты принимаемых сигналов. Из сопоставления данных таблицы 4 и [8] следует, что СКО местоопре-деления излучателей КВ-диапазона в летний период возрастают относительно показателей, достижимых для тех же трасс в осенне-зимний период, на 12…25 %. Данное явление обусловлено рефракцией сигналов на спорадическом Es-слое ионосферы, прогноз характеристик которого является кратковременным и, как правило, имеет низкую точность [4].

В таблицах 5 и 6 приведены СКО угломерной системы при оценке координат передатчиков ТЛК сообщений и непрерывных АМ сигналов на ФЧ и с ППРЧ в летний и осенне-зимний периоды соответственно. Прочерк в столбце с СКО оценок координат соответствует результатам местоо-пределения ИРИ с аномальными ошибками за счет обработки сигналов на фоне пространствен-

Таблица 4

Точность местоопределения радиостанций стандартных частот и времени угломерно-дальномерным методом в летний период (день/ночь)

Местоположение ИРИ	Удаление ИРИ от пеленгаторного поста, км	Частота излучаемого сигнала, кГц	СКО местоопределения ИРИ (% от дальности)
Москва	500	14996 4996	11,5 15,9

Таблица 5

Точность местоопределения передатчиков ТЛК сообщений и непрерывных АМ сигналов на ФЧ и с ППРЧ угломерным методом в летний период

Местоположение ИРИ (вид сигнала)	Удаление ИРИ от центра базы угломерной системы, км	Частота излучаемого сигнала, кГц	Время работы ИРИ (мск)	СКО местоопределения ИРИ (% от дальности)
Калининградская		1500–4500	20.00–03.00	24,5
область	1000	4500–18000	10.00–03.00	2,9
(ТЛК, АМ на ФЧ)		18000–30000	10.00–19.00	2,4
Свердловская		1500–4500	20.00–03.00	37,2
область	1500	4500–18000	10.00–19.00	3,3
(АМ на ФЧ)		18000–30000	11.00–20.00	2,2
Новосибирская		1500–4500	21.00–23.00	14,5
область	3000	4500–18000	21.00–23.00	5,3
(ППРЧ)		18000–30000	10.00–12.00	4,6
Республика		1500–4500	20.00–03.00	14,2
Бурятия	4700	4500–18000	10.00–03.00	5,2
(ТЛК, АМ на ФЧ)		18000–30000	10.00–19.00	4,6
		1500–4500		*
Хабаровский край (ТЛК, АМ на ФЧ)	6500	4500–18000	10.00–19.00	6,7
		18000–30000		–

Таблица 6

Точность местоопределения передатчиков ТЛК и непрерывных АМ сигналов на ФЧ и с ППРЧ угломерным методом в осенне-зимний период

Местоположение ИРИ	Удаление ИРИ от центра базы угломерной системы, км	Частота излучаемого сигнала, кГц	Время работы ИРИ (мск)	СКО местоопределения ИРИ (% от дальности)
Саратовская область (ТЛК, АМ на ФЧ)	500	1500–4500 4500–18000 18000–30000	20.00–03.00 10.00–03.00 10.00–19.00	12,7 5,5 4,2
Пензенская область (ТЛК, АМ на ФЧ)	600	1500–4500 4500–18000 18000–30000	10.00–03.00	– 2,8 *
Самарская область (ТЛК, АМ на ФЧ, ППРЧ)	800	1500–4500 4500–18000 18000–30000	10.00–19.00	– 3,8 *
Оренбургская область (ТЛК, АМ на ФЧ)	1400	1500–4500 4500–18000 18000–30000	10.00–19.00	* 4,3 *
Свердловская область (ТЛК, АМ на ФЧ)	1700	1500–4500 4500–18000 18000–30000	10.00–03.00	* 7,5 *

Таблица 7

Точность местоопределения передатчиков ТЛК и непрерывных АМ сигналов на ФЧ и с ППРЧ угломерно-дальномерным методом в летний период

Местоположение ИРИ (вид сигнала) Удаление ИРИ от пеленгаторного поста, км Частота излучаемого сигнала, кГц Время работы ИРИ (мск) СКО местоопределения ИРИ (% от дальности) Калининградская 1500–4500 20.00–03.00 34,5 область 1300 4500–18000 10.00–03.00 11,4 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 10.00–19.00 8,1 Свердловская 1500–4500 20.00–03.00 53,2 область 1500 4500–18000 10.00–19.00 12,6 (АМ на ФЧ) 18000–30000 11.00–20.00 9,9 Новосибирская 1500–4500 21.00–23.00 22,9 область 3000 4500–18000 21.00–23.00 13,7 (ППРЧ) 18000–30000 10.00–12.00 12,4 Республика 1500–4500 20.00–03.00 37,3 Бурятия 4600 4500–18000 10.00–03.00 14,9 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 10.00–19.00 17,6 1500–4500 * Хабаровский край (ТЛК, АМ на ФЧ) 6600 4500–18000 10.00–19.00 15,9 18000–30000 * но-коррели-рованных помех. Символ * означает, что условия распространения сигналов в поддиапазоне частот [3–5] не позволяют осуществлять их прием в точках размещения пеленгаторов в соответствующий период времени.

Анализ таблиц 5 и 6 показывает, что в ночные часы СКО местоопределения объектов возрастают. Данный факт может быть обусловлен уси- лением интерференционных эффектов сигналов при суточных изменениях электрофизических параметров подстилающей поверхности на трассах распространения и флюктуаций электрической неоднородности ионизированных слоев атмосферы [6; 10].

Вследствие малых действующих высот пеленгаторных антенн диапазоне частот 1500–4500 кГц

Таблица 8

Точность местоопределения передатчиков ТЛК и непрерывных АМ сигналов на ФЧ и с ППРЧ угломерно-дальномерным методом в осенне-зимний период

Местоположение ИРИ (вид сигнала) Удаление ИРИ от пеленгаторного поста, км Частота излучаемого сигнала, кГц Время работы ИРИ (мск) СКО местоопределения ИРИ (% от дальности) Саратовская 1500–4500 20.00–03.00 16,2 область 500 4500–18000 10.00–03.00 11,4 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 10.00–19.00 10,5 Пензенская 1500–4500 – область 450 4500–18000 10.00–03.00 15,8 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 * Самарская 1500–4500 – область (ТЛК, 750 4500–18000 11,3 АМ на ФЧ, ППРЧ) 18000–30000 10.00–19.00 *, Оренбургская 1500–4500 * область 1200 4500–18000 9,7 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 10.00–19.00 * Свердловская 1500–4500 * область 1500 4500–18000 10.00–03.00 9,5 (ТЛК, АМ на ФЧ) 18000–30000 * и низкой чувствительности приемников, обусловленной мерами защиты от индустриальных помех и атмосферных радиошумов [3; 8], ме-стоопределение ИРИ в системе с базой 1000 км на дальности 1000–1500 км выполняется с СКО, превышающей погрешность, характерную для диапазона частот 18000–30000 кГц, в 10,2–16,2 раза, а на дальности 3000–4700 км – в 3,1 раза.

В угломерной системе с базой 500 км СКО оценки координат радиопередатчиков на расстоянии до 500 км в поддиапазонах частот 1500– 4500 кГц и 4500–18000 кГц различаются в 2,3 раза; в поддиапазоне частот 18000–30000 кГц погрешность местоопределения ИРИ возрастает в 1,55 раза относительно показателей, полученных в средней части КВ-диапазона.

В таблице 7 приведены СКО оценки координат передатчиков ТЛК и непрерывных сообще угломерно-дальномерным методом в летний период, а в таблице 8 – в осенне-зимний период.

Установлено, что погрешность местоопреде-ления объектов в поддиапазоне частот 1500–4500 кГц с летний период лежит в пределах (22,9– 53,2) % от дальности, а в осенне-зимний период снижается до 16,2 %. Минимальная нормированная СКО оценки координат ИРИ в поддиапазоне частот 4500–18000 кГц на удалении 6600 км составляет 5,7 % от дальности. Наибольшая для летнего периода погрешность определения местоположения излучателей в поддиапазоне ча- стот 18000–30000 кГц (17,6 % от дальности) в осенне-зимний период снижается в 1,68 раз.

Из таблиц 2, 4, 7 и 8 следует, что усредненная по частоте, времени проведения измерений, дальности и направлению трассы СКО ме-стоопределения КВ ИРИ составляет (11–13) %.

Идентификация объектов выполнялась по результатам обработки сигналов с амплитудой, превышающей уровни шумов приемников не менее чем на 14 дБ, длительностью более 2 минут в серии из 10 реализаций.

В таблице 9 представлены оценки вероятности правильной идентификации ИРИ, полученные при исследовании угломерной и угломерно-дальномерной систем с круговыми секторами пеленгования в плоскости азимута и диапазонами частот 1500–30000 кГц в летний и осенне-зимний периоды, при вероятности ложной тревоги не более 0,03. В числителе приведены результаты для передатчиков АМ сигналов на ФЧ, в знаменателе – для источников сигналов с ППРЧ. В таблице 10 содержатся аналогичные показатели, найденные для систем, в которых ширина секторов углов пеленгования составляет 30 ° , а диапазон рабочих частот сокращен в 2,2 раза.

Из таблиц 9 и 10 следует, что в угломерной системе достигаются более высокие значения вероятности правильной идентификации ИРИ по сравнению с угломерно-дальномерной системой за счет приема сигналов в пространственно раз-

Таблица 9

Оценки вероятности правильной идентификации ИРИ в системах местоопределения с секторами углов пеленгования 360 ° и диапазонами частот 1500–30000 кГц

Тип системы местоопределения	Вероятность правильной идентификации ИРИ
	Летний период	Осенне-зимний период
Угломерная	0,61…0,64 0,54…0,57	0,80…0,82 0,55…0,58
Угломерно-дальномерная	0,53…0,55 0,43…0,45	0,62…0,65 0,47…0,49

Таблица 10

Оценки вероятности правильной идентификации ИРИ в системах местоопределения с секторами углов пеленгования 30 ° при уменьшении диапазона частот в 2,2 раза

Тип системы местоопределения Вероятность правильной идентификации ИРИ Летний период Осенне-зимний период Угломерная 0,88…0,90 0,74…0,78 0,88…0,92 0,82…0,85 Угломерно-дальномерная 0,60…0,63 0,54…0,58 0,78…0,81 0,60…0,63 несенных точках, что позволяет парировать их пропуски на одном из пеленгаторных постов. Вследствие однопозиционного размещения аппаратуры радиомониторигнга угломерно-дальномерной системы эффективность идентификации объектов зависит от их электромагнитной доступности, определяемой характеристиками трассы распространения, сезонными и суточными флюктуациями электрофизических параметров радиоканалов [3–5]. Прирост показателей эффективности идентификации объектов в осенне-зимний период обусловлен улучшением условий их обнаружения за счет снижения уровня индустриальных помех [3], а также более высокой стабильности концентрации электронов в ионизированных слоях атмосферы по сравнению с летним периодом [5].

В угломерной системе с круговым сектором углов приема излучений при просмотре диапазона частот 1500…30000 кГц правильная идентификация ИРИ выполняется с вероятностью 0,54…0,82. За счет уменьшения сектора обзора до 30 ° и анализируемого диапазона частот в 2,2 раза этот показатель возрастает до 0,74…0,92 при неизменной вероятности ложной тревоги.

В угломерно-дальномерной системе с круговым сектором углов пеленгования источники АМ сигналов на ФЧ правильно идентифицируются с вероятностью 0,53…0,65, вероятность правильной идентификации передатчиков с ППРЧ составляет 0,43…0,49. При сокращении сектора углов до 30°, а диапазона рабочих частот пелен- гатора в 2,2 раза указанные значения возрастают до 0,60…0,81 и 0,54…0,63 соответственно.

Таким образом, по результатам испытаний двухпозиционной системы азимутально-угломестных пеленгаторов исследованы СКО угломерной оценки координат передатчиков сигналов КВ-диапазона; с применением одиночного пеленгаторного поста и станции вертикального зондирования ионосферы найдены показатели точности местоопределения этих объектов угломерно-дальномерным методом. Выявлены зависимости погрешностей выполняемых измерений от частоты, протяженности и направления трассы распространения сигналов в различное время года и суток.

Установлено, что в нижней части диапазона точность местоопределения ИРИ угломерной системой составляет единицы процентов от дальности (минимальное значение 4,7 %); по мере роста частоты этот показатель увеличивается не менее чем в 1,2 раза. Оценка координат ИРИ угломерно-дальномерным методом может быть выполнена с СКО (11–13) % от дальности.

Возможности повышения ее точности ограничены погрешностями прогноза лучевых траекторий [4] и аномальными ошибками измерений направлений прихода сигналов [6; 9] при флюктуациях электрофизических параметров и пространственного распределения ионосферы.

Получены оценки вероятности правильной идентификации ИРИ и вероятности ложной тре- воги в угломерных и угломерно-дальномерных системах. Проведен анализ закономерностей их изменения по мере сокращения секторов углов и диапазонов рабочих частот пеленгаторов. Показано, что идентификация объектов более эффективно выполняется в угломерных системах, вследствие сокращения числа пропусков обрабатываемых сигналов за счет приема в разнесенных точках пространства по сравнению с вариантом однопозиционного приема.