Способ определения координат подвижного объекта, способ идентификации абонентов и определения их местоположения и система радиосвязи абонентов с центральной станцией с идентификацией абонентов и определением их местоположения

Способ определения координат подвижного объекта, способ идентификации абонентов и определения их местоположения и система радиосвязи абонентов с центральной станцией с идентификацией абонентов и определением их местоположения

Реферат

 

Изобретение относится к радиолокации и радиосвязи с подвижными объектами. Достигаемый технический результат - определение местоположения подвижного объекта (ПО) и передача на него команд по системе связи. Сущность предлагаемого способа определения координат ПО заключается в развертывании сети приемных устройств в необходимом количестве, приеме сигналов ПО и определении их координат. Способ идентификации абонентов и определение их местоположения предусматривает связь ПО с базовыми станциями, определение на центральной станции (ЦС), из какой зоны поступило сообщение при заданной вероятности безошибочного приема. Указанные способы реализуются системой радиосвязи ПО с ЦС, причем предусмотрено размещение приемных устройств на верхних участках зданий обслуживаемой территории при выполнении радиочастотной линии связи между абонентами и базовыми станциями односторонней. 3 с. и 1 з. п. ф-лы, 53 ил., 2 табл.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ Изобретения относятся к области радиолокации и радиосвязи с подвижными объектами (ПО). Предложен способ определения координат подвижного объекта в условиях многолучевого распространения радиоволн. Указанный способ может быть применен для определения координат подвижного объекта в условиях города. Предложен также способ идентификации множества абонентов и определения их координат. Также предложено устройство, реализующее оба указанных способа. Под абонентами системы понимаются лица или объекты, располагающие (оснащенные) радиотехническим устройством для передачи радиосообщения на центральную станцию (устройство вызова центральной станции - УВ). Лица, являющиеся конечными получателями информации, поступающей от абонентов, называются пользователями системы. Предполагается, что пользователи системы связаны с центральной станцией (ЦС) линиями связи и могут иметь устройства для отображения поступающей от ЦС информации.

Изобретение имеет следующие области применения: - Вызов городских экстренных служб (милиция, скорая медицинская помощь, пожарная охрана и пр.) при чрезвычайных ситуациях.

Вызов экстренных служб может производится физическим лицом, транспортным средством, объектом недвижимости. Предполагается, что наличие чрезвычайной ситуации устанавливается по факту срабатывания датчиков, установленных на УВ.

Предполагается также, что датчики могут приводится в действие как вручную, так и автоматически. Например, автомобиль может оснащаться датчиками "взлом", "запуск двигателя без ключа", "буксировка", "пожар", приводимыми в действие автоматически, и кнопкой "паника", приводимой в действие водителем автомобиля в случае нападения.

При срабатывании датчиков в эфир передается сигнал тревоги, содержащий идентификационный код (ИК) абонента и номера сработавших датчиков. На ЦС по идентификационному коду устанавливаются данные абонента, например, если абонент - физическое лицо, то его паспортные данные, если абонент автомобиль - его марка, цвет, номер гос. регистрации, имя владельца, если абонент объект недвижимости - то его адрес и владелец.

Если установлено, что абонент - физическое лицо или транспортное средство, ЦС должна определить координаты абонента. Всю полученную информацию ЦС должна передать соответствующей экстренной службе для реагирования.

- Слежение за подвижными объектами. В этом случае ПО, за которым производится слежение, периодически передает в эфир свой идентификационный код. Одновременно с приемом ИК ЦС должна определять координаты ПО.

Практический интерес представляет слежение за автомобилями. В круг автомобилей, за которыми производится слежение, целесообразно включить патрульные автомобили экстренных служб. В этом случае создаются условия, при которых экстренные службы имеют возможность максимально быстро и эффективно реагировать на поступающие вызовы. Желательно также, чтобы слежение осуществлялось за городским общественным транспортом. При этом под жесткий контроль ставится выполнение графика движения, автоматически определяется объем перевозок и учитывается рабочее время водителей. Кроме того, остановки общественного транспорта могут быть оснащены пейджерами, оповещающими пассажиров о времени прибытия необходимых им маршрутов. Если слежение осуществляется за автомобилями такси, то появляется возможность автоматизированного вызова автомобиля такси клиентом. При этом под жесткий контроль ставится исполнительская дисциплина водителей. Слежение также может производится за любым транспортным средством, владелец которого желает исключить возможность нецелевого использования транспортного средства и в автоматизированном режиме производить контроль дисциплины и учитывать рабочее время водителей.

Если число автомобилей, за которыми осуществляется слежение, составляет значительный процент от общего числа автомобилей в данной местности, появляется принципиальная возможность решения задачи оптимальной организации транспортных потоков (см. п.2).

- Поиск ПО (похищенных автомобилей, лиц с неадекватным поведением, потерявшихся домашних животных). Абоненты передают на ЦС свой ИК при поступлении соответствующей радиокоманды.

Одновременно с приемом сообщения ЦС должна определять координаты ПО.

- Выполнение вспомогательных функций в интересах различных систем радиотелефонной связи.

Радиотелефонная связь между двумя абонентами в реальном масштабе времени может быть организована с максимальной эффективностью в случае, если координаты обоих абонентов известны с высокой степенью точности. Указанные системы радиотелефонной связи могут рассматриваться как внешние по отношению к рассматриваемой системе, причем рассматриваемая система в интересах указанных систем может выполнять вспомогательные функции, а именно функцию поиска абонента и функцию вызова абонентом системы радиотелефонной связи. Предполагается, что, если абонент хочет воспользоваться радиотелефонной связью, он передает в эфир свой ИК и номер заказываемой услуги. ЦС определяет координаты абонента и передает "заявку" на обслуживание радиотелефонной системе связи.

- Существует ряд задач, для решения которых желательно использовать специализированную проводную систему связи абонента с ЦС. К таким задачам прежде всего относится проведение электронных платежей (обслуживание кредитных карточек). В настоящее время для решения этой задачи используются коммутируемые и выделенные телефонные каналы связи. Простые оценки для условий г. Москвы показывают, что, если значительная часть платежей в городе будет проводится с использованием кредитных карточек, то информационной емкости существующей в г. Москве сети телефонной связи (10⁷ вызовов в сутки) будет недостаточно. Кроме того, большую долю товарооборота обеспечивают мелкие торговые предприятия, для которых подключение к системе электронных платежей по существующей ныне технологии связано со значительными издержками.

Как будет видно из дальнейшего, реализация предлагаемой в настоящем патенте системы радиосвязи предполагает развертывание сети приемных устройств, которыми оборудуются все или почти все объекты городской недвижимости. Каждое приемное устройство системы связано выделенной телефонной линией с концентратором, установленном на подстанции городской телефонной сети. Выходом концентратора является микроволновая или оптоволоконная линия связи, поступающая на ЦС. Несмотря на значительный поток радиосообщений, принимаемых системой в целом, поток сообщений, поступающих на каждое отдельное приемное устройство, невелик. По этой причине информированная емкость выделенной линии связи используется не полностью. Если приемные устройства имеют разъемы для подключения внешних устройств, то создаются условия, при которых возможно эффективное решение задач, сводящихся к двусторонней связи абонента с ЦС. При этом предполагаемая " параллельная" система телефонной связи имеет значительную информационную емкость и способна существенно "разгрузить" городскую телефонную сеть. Кроме того, существуют простые технические решения, исключающие возможность несанкционированного доступа к указанным линиям связи. Например, при обрыве линии связи может вырабатываться сигнал тревоги, передаваемый экстренным службам для реагирования.

Важным частным случаем применения указанных линий связи является решение задачи "тонкого" регулирования фаз работы светофоров. Для решения этой задачи достаточно связать светофор проводной линией с ближайшим объектом недвижимости, оборудованным приемным устройством системы.

Схематический внешний вид системы радиосвязи абонентов с центральной станцией с идентификацией абонентов и определением их местоположения приведен на фиг. 1. На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства. Пояснения к фиг. 1,2 приведены в п.3. На всех фиг. приняты следующие обозначения: 1-7 приемные устройства; 8 выделенная телефонная линия; 9 концентратор; 10 оптоволоконная или микроволновая линия связи; 11 центральная станция; 12 пользователь системы; 13 вертолет, оснащенный передатчиком, предназначенный для определения координат приемных устройств после их развертывания; 14 искусственный спутник земли, оснащенный передатчиком синхронизирующих импульсов; 15 абонент системы - физическое лицо; 16 абонент системы - автомобиль; 17 разъем для подключения к приемному устройству различных внешних устройств; 18 светофор, подключенный к приемному устройству; 19 банкомат, подключенный к приемному устройству; 20 здание; 21-27 волновые фронты; 28 передатчик УВ; 29 микропроцессор УВ (МП); 30 постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) УВ; 31 передающая антенна УВ; 32 приемная антенна УВ; 33 усилитель высокой частоты (УВЧ); 34 детектор; 35 видеоусилитель; 36 дифференцирующая цепь; 37 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 38 аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 39 компаратор; 40 схема определения максимального значения; 41 логарифмический усилитель; 42 антенна канала синхронизации; 43 приемник канала синхронизации; 44 генератор тактовых импульсов (ГТИ); 45 счетчик тактовых импульсов; 46 микропроцессор приемного устройства (МП); 47 модем; 48 порт ввода-вывода; 49,50 блоки памяти концентратора; 51 память концентратора; 52 микропроцессор (МП) концентратора; 53 разделительный трансформатор модема, установленного на концентраторе; 54 разделительный трансформатор модема, установленного на приемном устройстве; 55 фазовый компаратор; 56,57 разделительные конденсаторы; 58 стабилитрон; 59 резистор; 60 микропроцессор (МП) спецвычислителя (СВ); 61 центральный процессор (ЦП) спецвычислителя; 62 шина данных; 63 линия прерываний; 64 линия синхронизации; 65 здание, расположенное по адресу: г. Москва, ул. Усиевича, д 10А; 66 здание, расположенное по адресу: г. Москва, ул. Усиевича, д 2.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Прежде чем обсуждать существующий уровень техники, сформулируем технические требования, которые должны предъявляться к системам радиосвязи, предназначенным для решения сформулированных в предыдущем пункте задач. Тем самым будет сформулирован технический результат, требуемый для успешного решения задач, указанных в п.1.

1. Для решения всех заявленных выше задач необходима система с исключительно высокой информационной емкостью, поскольку общее число абонентов и общая интенсивность потока сообщений предполагаются значительными. Для дальнейших оценок будем считать, что на территории города, представляющего собой круг радиуса R = 15 км, одновременно находится 210⁶ автомобилей, каждый из которых передает ИК один раз в десять секунд, и 10⁷ абонентов, использующих УВ для вызова экстренных служб (физические лица, автомобили, взятые под охрану и т.д.), причем каждый из указанных абонентов вызывает экстренные службы в среднем один раз в год, при этом для надежности каждый вызов повторяется 100 раз с интервалом в 1..2 секунды.

2. Координаты ПО должны определяться с точностью не хуже, чем (5-15) м.

Например, при точности определения в (50-100) м в условиях города невозможно достоверно определить, на какой именно улице находится данный ПО или находится ли ПО во дворе или с фасадной стороны здания.

3. Если допустить, что некоторая система радиосвязи используется для охраны значительного числа абонентов, то следует предположить, что злоумышленник, как правило, будет совершать преступные действия под прикрытием дезинформирующих и маскирующих радиопомех. Если система радиосвязи чувствительна к дезинформирующим помехам и не может с приемлемым уровнем точности определять координаты постановщика маскирующих помех, то такая система совершенно не приемлема для практического применения.

Сделаем ряд замечаний: 1. Необходимо обеспечить передачу радиокоманд для ПО. Предполагается, что радиокоманды изменяют период передачи ИК абонентом. Радиокоманды необходимы для реализации режима поиска ПО, а также могут быть полезны в режиме слежения за ПО. Действительно, допустим, что дежурный территориального подразделения экстренных служб "наводит" патрульный автомобиль на точку вызова в реальном масштабе времени, используя "обычные" радиотелефонные каналы связи. При этом предполагается, что в распоряжении диспетчера имеется компьютер, на экране которого показан план соответствующего участка территории, на котором точками показаны патрульный автомобиль и абонент, вызвавший экстренную службу.

Для реализации такого режима желательно, чтобы указанный автомобиль передавал свой ИК хотя бы один раз в секунду, в то время как для слежения в "обычном" режиме вполне достаточно, чтобы автомобиль передавал ИК один раз в десять секунд.

Для передачи радиокоманд могут быть использованы существующие каналы связи. Например, если поиск ПО производится в интересах системы радиотелефонной связи, радиокоманды могут передаваться по каналам радиотелефонной связи, либо для этих целей может быть выделен отдельный частотный диапазон. Оценки показывают, что для города с населением 10⁶...10⁷ жителей достаточно одного передатчика.

2.Для решения всех указанных в п.1 задач нет никакой необходимости в передаче сообщений от центральной станции к какому-либо отдельно взятому абоненту, т.е. связь между абонентом и ЦС может быть однонаправленной. Исключением является передача радиокоманд для реализации режима поиска и слежения за ПО. Однако необходимость передачи радиокоманд не является фактором, ограничивающим информационную емкость предлагаемой нами ниже системы. Поэтому далее предполагаем, что передача радиокоманд производится внешними по отношению к предлагаемой системе устройствами. В связи с однонаправленным характером передачи информации от абонента к ЦС остановимся подробней на решении задачи оптимальной организации транспортных потоков.

Допустим, что водитель автомобиля хочет определить оптимальный маршрут движения из одной точки города в другую. Критерием оптимальности может являться, например, максимальная безопасность движения, минимальные транспортные издержки, минимальное время в пути. Если транспортное средство оборудовано компьютером, в память которого внесена карта города и соответствующее программное обеспечение, задача может быть решена. Однако решение этой задачи зависит как от параметров, так и от интенсивности движения и скоростей транспортных потоков в тысячах " узловых" точках города. Если имеется репрезентативная выборка городских автомобилей, местоположение которых отслеживается, например, с периодом в 10 секунд, то указанные параметры могут быть определены с высокой степенью точности. Важно, что полученная информация является общей для всех автомобилей города и не требует "рассылки" по конкретным адресам. Существует множество способов, позволяющих сделать эту информацию доступной любому заинтересованному лицу.

Отметим, что указанная информация может быть также использована для "тонкого" управления фазами работы городских светофоров при условии, что городские светофоры имеют линию связи с ЦС.

Казалось бы, что задачи, сформулированные в п.1 могут быть решены в случае, если для приема сообщений абонентов используется многопозиционная радиолокационная станция (см. / Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация.- М.: Радио и связь, 1993.- 416 с./). Однако возникают две серьезные проблемы. Во-первых, определение координат ПО в городе представляет собой сложную задачу из-за особенностей распространения радиоволн. Во-вторых, требуется создать систему радиосвязи, способную обслуживать громадное число абонентов. Далее мы последовательно рассмотрим обе эти проблемы. В качестве аналогов предлагаемого нами способа определения координат мы будем рассматривать гиперболический метод (прототип)- см. / Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993.- 416 с./ и патент PCT WO 93/04453 кл. G 08 G 1/127, G 01 S 3/50 1993г. В качестве аналогов способа идентификации абонентов и определения их местоположения будут рассматриваться общеизвестные системы сотовой связи - см. / Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. Под ред. У. К. Джейкса. Пер. с англ. М.: M.: Связь, 1979, 520 с./ и упомянутый патент WO 93/04453 (прототип). В качестве прототипа устройства также рассматривается патент WO 93/04453 и в качестве аналога известная спутниковая система определения координат GPS - см. например, патенты PCT/WO 95/08779 кл. G 01 S 5/02, 5/10, 1/02 и WO 94/22032 кл. G 01 S 5/02, 1/16, 13/00/.

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ПО В настоящее время наиболее точным и распространенным методом определения координат ПО является радиолокация, известная с начала 30-х годов.

Радиолокационные системы разделяются на активные и пассивные в зависимости от наличия передатчика зондирующих импульсов. В активных системах ПО излучает радиоимпульс синхронно с приходом зондирующего импульса. Пассивные системы не имеют передатчика зондирующих импульсов, и ПО излучает радиоимпульсы асинхронно, в заранее неизвестные моменты времени.

В радиолокационных системах для измерения координат используются угловые и дальномерные методы. Далее мы будем рассматривать только дальномерные методы, получившие распространение с начала 70-х годов в многопозиционных радиолокационных станциях (МПРЛС).

В дальномерных МПРЛС для определения координат ПО измеряются времена поступления радиосигнала ПО на несколько пространственно-разнесенных приемных устройств.

В активных системах используется метод, широко известный под названием эллиптического /см. Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация.- М.: Радио и связь, 1993.- 416 с./ Активные системы неприемлемы для решения указанных в п.1 задач, поскольку обладают низкой помехоустойчивостью. Действительно, злоумышленник может использовать маломощный передатчик, имитирующий зондирующие импульсы, причем дезинформирующий сигнал может быть сдвинут по фазе по отношению к источнику зондирующих импульсов. УВ охраняемого объекта передаст сигнал тревоги синхронно с поступлением "ложного" импульса, что приведет к невозможности определения координат ПО. Определить координаты постановщика дезинформирующих сигналов невозможно из-за низкой потребной мощности передатчика.

В пассивных системах для определения координат ПО используется "разностно-дальномерный" или "гиперболический" метод. Измеряемыми величинами являются времена поступления сигнала ПО на четыре приемные станции. Из фиг. 3 очевидно, что где L_i - расстояние между ПО и i-ой приемной станцией; i - номер приемной станции; c - скорость распространения радиоволн; t_i - время поступления фронта импульса на станцию i, t₀ - момент излучения фронта импульса подвижным объектом; x, у, z - координаты ПО; x_i, y_i, z_i - координаты i-ой приемной станции.

Далее по определению считаем c 1, т.е. время и расстояние измеряются в одинаковых единицах (1 мкс300 м).

Идея гиперболического метода состоит в исключении из системы уравнений (1) неизвестного времени t₀. Вычтя, например, последнее уравнение из первых трех, получим систему из трех нелинейных уравнений с тремя неизвестными: Каждое из уравнений (2) представляет собой уравнение гиперболоида. Геометрически решение системы (2) представляет собой точку пересечения 3-х гиперболоидов.

Необходимым условием применения радиолокационных методов является прямая видимость ПО со стороны приемных антенн МПРЛС, поскольку в противном случае сигналы ПО поступают на приемные устройства МПРЛС после отражения от различных местных предметов и не несут полезной информации о координатах ПО. При этом следует создать условия, при которых сигналы, отраженные от местных предметов, не окажут существенного влияния на точность определения времени поступления на приемную антенну фронта прямого луча.

Оба эти условия выполнены для МПЛРС "космического базирования".

В настоящее время такие системы являются единственными реально работающими системами, позволяющими определять координаты ПО в условиях города.

Прямая видимость ПО со стороны приемных антенн обеспечивается за счет расположения ИСЗ в положении, близком к зениту (можно считать, что приемные антенны расположены на бесконечной высоте). При таком способе размещения исключается влияние отраженных сигналов, поскольку отраженные сигналы распространяются в основном под острым углом к горизонту, что видно из фиг. 4, 5.

На этом рисунке показан действительный источник сигнала f и его мнимые изображения f', f'', f''', f⁽⁴⁾, построенные по законам геометрической оптики. Для простоты на рисунке показаны лишь отражения первого порядка, т.е. не показаны изображения мнимых источников. Из рисунка видно, что аппертуры мнимых изображений источников ограничены отражающими поверхностями. Например, аппертура источника f'' ограничена поверхностью S (стеной здания 20). Очевидно, что, если ИСЗ находится в зените, со стороны ИСЗ виден лишь действительный источник f и его отражение от земли f'.

Спутниковые системы для определения координат могут требовать наличие у абонента передатчика. В этом случае спутниковые системы имеют низкую информационную емкость. Возможны также спутниковые системы, в которых абонент принимает сигналы от нескольких спутников и определяет свои координаты в пассивном режиме. Казалось бы, что, определив собственные координаты, абонент может передать по "обычным" радиоканалам сообщение, содержащее его координаты. Однако такой способ не приемлем из-за крайне низкой помехоустойчивости. Злоумышленник может иметь компактное маломощное (на уровне микроватт) малогабаритное устройство, ставящее помеху по спутниковым каналам. Поскольку мощность сигнала, поступающего со спутника мала, наличие помехи делает определение координат невозможным. В свою очередь, определение координат постановщика помех невозможно из-за низкой потребной мощности передатчика. Отметим также, что в любом случае необходима система радиосвязи с высокой информационной емкостью. Недостаток спутниковых систем состоит также в том, что сложно сделать оборудование для определения координат с высокой степенью точности малогабаритным, дешевым и надежным.

Кроме того, в реальных спутниковых системах спутники находятся не в зените, а видны под некоторым острым углом к горизонту. Например, в известной спутниковой системе GPS для охвата всей земной поверхности используется 24 созвездия спутников. В этих условиях существуют точки земной поверхности, из которых антенны видны под углами < 30^o. Очевидно, что в этих условиях существуют обширные области территории города, в пределах которых отсутствует прямая видимость антенн приемных устройств. В указанных областях определение координат с приемлемым уровнем точности невозможно.

В настоящее время возможность применения МПРЛС с "наземным" расположением антенн для определения координат ПО в условиях города обсуждается лишь на теоретическом уровне в патенте PCT WO 93/04453 кл. G 08 G 1/127, G 01 S 3/50 1993г.

В указанном патенте предлагается система радиосвязи, позволяющая одновременно с приемом сообщения абонента определять его координаты. Предполагается, что на территории города развернута сеть приемопередающих устройств (базовых станций). Станции размещаются по сотовому принципу с характерным расстоянием между станциями порядка одной мили. Антенны устанавливаются на мачтах.

Автор изобретения отдает себе отчет в том, что такой способ размещения антенн не обеспечивает прямой видимости большей части территории города со стороны достаточного числа приемных устройств. Однако, по мнению автора, указанное обстоятельство не является препятствием для определения координат ПО.

Основная идея метода определения координат в указанном патенте состоит в использовании эффекта расширения радиоимпульса по длительности при его распространении в условиях города. По мысли автора, проанализировав форму импульса, поступившего на приемное устройство от ПО, можно определить время поступления сигнала на приемное устройство, которое имело бы место в условиях прямой видимости ПО со стороны приемных устройств.

После того, как сделана поправка к времени фактического поступления сигнала на приемное устройство, предлагается использовать гиперболический метод. Недостаток предложенного в рассматриваемом патенте подхода состоит в том, что среди множества отраженных лучей, распространяющихся по различным "траекториям", отсутствуют лучи, сколь угодно близкие по длине пройденного оптического пути к прямому лучу, что видно из фиг. 6. На этом рисунке показана антенна приемного устройства 1 и два возможных положения ПО - 1 и 2. В положении 1 ПО находится в затененной зоне из-за наличия здания 20. Ослабление прямого сигнала, проходящего через здание, может достигать 100 дб (см., например, / Веденский Б. А. Распространение ультракоротких волн.- М.: Наука, 1973. - с. 138-182. /). "Траектории" отраженных сигналов "огибают" контуры здания 20 и при замене прямого луча на точную нижнюю грань множества длин оптических путей отраженных сигналов будет сделана систематическая ошибка. Более того, допустим, что ПО находится в положение 2. Пусть расстояние между 1 и 2 пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием между 1 и приемным устройством, и из точки 2 имеет место прямая видимость приемного устройства. В этих условиях "траектории" отраженных сигналов изменились слабо, зато появилась "траектория" прямого луча. Появление прямого луча приводит к увеличению длительности импульсов. Согласно патенту, большей длительности соответствует большая величина поправки, которую следует вычесть из фактического времени поступления сигнала на станцию, т.е. получаем результат, противоположный очевидному из рассматриваемого рисунка.

Допустим, что рассматриваемая в патенте случайная величина - уширение длительности импульсов для точек, равноудаленных от приемного устройства, имеет статистический разброс в 20% для уровня вероятности 0,5. Учитывая, что среднее значение увеличения длительности составляет 3 мкс, получим характерную величину ошибки определения t_i в (600 нс). В этом случае при приведенных в патенте средних расстояниях между станциями 1,6 км средняя ошибка в определении координат ПО превысит 1 км.

По нашему мнению, главный недостаток рассматриваемого патента состоит не в отсутствии адекватного способа определения координат, а в том обстоятельстве, что автор патента не смог предложить способ размещения приемных устройств, обеспечивающий прямую видимость большей части обслуживаемой территории со стороны антенн приемных устройств, что, по нашему мнению, является необходимым условием применения радиолокационных методов для определения координат ПО в условиях города.

Рассмотрим проблемы, возникающие при применении общепризнанных, "классических" методов радиолокации к рассматриваемым нами задачам: 1. Даже в условиях прямой видимости ПО со стороны приемных антенн МПРЛС точное определение положения фронта импульса представляет собой непростую задачу из-за инерционности приемных устройств. Из радиотехники известно приближенное условие, связывающее полосу пропускания приемного устройства f с точностью определения положения фронта импульса T: : fT 1 (3) Для точности определения положения фронта импульса в 10 нс необходима полоса пропускания в 100 МГц. Приемлемым значением несущей частоты является частота в 1 ГГц. Соответственно, получаем ширину полосы пропускания f / f = 0,1 при "обычном" значении этой величины 0,01. Применение широкополосных устройств приводит к значительно худшему, чем в "обычных" устройствах, отношению сигнал/шум. Для компенсации указанного обстоятельства необходимо иметь значительную мощность передатчика при небольшом среднем расстоянием между передатчиком и приемными устройствами МПРЛС.

Проведенные нами оценки показывают, что применительно к задачам, поставленным в п.1, приемлемым значением мощности является значение P = 20 Вт при среднем расстоянии между передатчиком и приемным устройством 100 м.

2. Приемное устройство, находящееся в зоне прямой видимости ПО, принимает смесь прямого и множества отраженных сигналов. Хотя отраженные сигналы имеют некоторую задержку по отношению к фронту прямого сигнала, невозможно полностью исключить влияния отраженных сигналов на точность определения положения фронта прямого сигнала. Следует учесть также ошибки, связанные с неточной синхронизацией системы. Кроме того, желательно в качестве приемных устройств МПЛРС использовать недорогие цифровые устройства. По нашему мнению, с учетом сделанных выше замечаний, среднеквадратическая ошибка определения времен поступления фронтов прямых сигналов t находится в пределах t = (10-40) нс. (4) Указанная ошибка с учетом малой величины измеряемых расстояний на практике приводит к невозможности применения гиперболического метода. Часто, при "неудачном" взаимном расположении ПО и приемных устройств система уравнений (2) либо формально не имеет решений, либо дает погрешности в сотни и тысячи метров. Соответствующий пример приведен в п.2.3. Там же изложен найденный нами аналитический метод решения системы уравнений (1). Указанный метод может быть полезен при анализе ошибок гиперболического метода.

Естественным решением является использование большего, чем 4 числа прямых сигналов. Из общих соображений очевидно, что это привело бы к повышению точности и надежности определения координат ПО. Однако в настоящее время не известны естественные обобщения гиперболического и эллиптического метода на число приемных устройств, большее чем 4. Из-за нелинейности указанных методов к ним не применим метод максимального правдоподобия.

3. Существует еще одна серьезная причина, исключающая возможность применения гиперболического метода.

Именно, зона прямой видимости территории со стороны каждого приемного устройства МПРЛС всегда меньше зоны уверенного приема сигналов ПО. По этой причине среди приемных устройств МПРЛС неизбежно будут устройства, принимающие отраженные сигналы в отсутствии прямых. Указанная проблема не может быть решена методами амплитудной селекции, поскольку из-за многолучевого характера распространения радиоволн в городе амплитуда отраженного сигнала может превышать амплитуду прямого. Наличие отраженных сигналов делает невозможным применение гиперболического метода.

Действительно, допустим, что сигнал ПО принят 5-ю приемными устройствами, и пусть даже известно, что 4 устройства приняли прямой сигнал, а одно отраженный.

Временной сдвиг отраженного сигнала по отношению к прямому может достигать 1 мкс / Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. Под ред. У. К. Джейкса. Пер. с англ. М.: Связь, 1979, 520 с./, т. е. 300м.

Известные в настоящее время методы определения координат не позволяют определить, какие именно 4 из 5 станций приняли прямой сигнал. Конечно, можно попытаться решить задачу, последовательно применяя гиперболический метод к каждой четверке приемных станций. Однако, такой метод не приведет к желаемому результату даже в случае, если, например, имеется 100 сигналов и известно, что 99 из них прямые. В этом случае можно получить C⁹⁹₁₀₀= 100 различных решений. Поскольку величины t_i определены с конечной точностью, все 100 полученных решений в общем случае будут различны. Из-за нелинейности системы уравнений (2) в настоящее время не известно какого-либо разумного способа, позволяющего выбрать из полученных решений "правильные". В частности, бессмысленно пытаться брать среднее арифметическое полученных результатов.

Резюмируя сказанное выше, можно утверждать, что решению поставленных в п.1 задач препятствуют следующие обстоятельства: - В настоящее время не известен способ "наземного" размещения приемных устройств МПРЛС, обеспечивающий прямую видимость территории города со стороны достаточного для определения координат числа приемных устройств; - В настоящее время не известно обобщение гиперболического метода на число приемных устройств, большее чем 4, что не позволяет определять координаты ПО с достаточной степенью точности и надежности; - В настоящее время не известен метод, позволяющий определять координаты ПО в случае, если часть сигналов, поступивших от приемных устройств МПРЛС, соответствует прямым лучам, а часть - отраженным.

2.2 РАДИОСВЯЗЬ С ПО Существенным признаком систем радиосвязи с ПО является способ обеспечения многоканальности системы. Известны следующие методы обеспечения многоканальности системы: - распределение абонентов по частотным диапазонам; - разделение абонентов по времени - каждому абоненту выделяются интервалы времени ("временные окна"), в течение которых абонент вправе передавать или принимать сообщения; - ограничение зоны действия приемопередающих устройств и организация систем связи по сотовому принципу. Суть сотовых систем связи состоит в многократном использовании частотных диапазонов и/или "временных окон", для чего обслуживаемая территория делится на пространственные зоны ("ячейки"), обычно близкие по форме к правильным шестиугольникам. В вершинах шестиугольников устанавливаются приемопередающие устройства ("базовые станции").

Размер пространственной зоны определяется при проектировании системы, исходя из ожидаемого числа абонентов в данной зоне. Обычно размер ячейки составляет от одного до нескольких километров. Предполагается, что сигнал ПО уверено принимается хотя бы одной базовой станцией, обслуживающей данную ячейку, и воспринимается как незначительная помеха базовыми станциями, обслуживающими удаленные от ПО ячейки.

Необходимо отметить, что системы сотовой связи принципиально являются двусторонними, поскольку для обеспечения многоканальности необходима передача информации от каждой базовой станции к абоненту (ПО). Такая информация позволяет абоненту определить ближайшую (в смысле лучшей радиовидимости) базовую станцию, а также определить частотные диапазоны и/или временные окна для информационного обмена - см., например PCT WO 93/04453 стр. 102-107. В защищаемых положениях патента указано, что радиочастотная линия связи между абонентом и базовой станцией включает средства для передачи информации, обеспечивающей многоканальность, от базовой станции к абоненту.

Важно также подчеркнуть, что минимальное расстояние между двумя базовыми станциями, работающими в одном частотном диапазоне и/или в одинаковых "временных окнах", сознательно выбирается при проектировании системы. Соответствен