3.3 Наблюдения за радиоизлучениями
Наблюдение за радиоизлучением представляет собой процесс длительного и целенаправленного восприятия информации относительно наличия радиоизлучений в определенном диапазоне (полосе) частот (на заданной частоте) и оценивания значений их параметров. Оно реализуется с помощью автоматизированных стационарных комплексов радиомониторинга и, как правило, мобильных комплексов с целью определения динамических характеристик существования радиоизлучения, в частности, для оценки занятости диапазонов и полос радиочастот, радиочастотных каналов (отдельных частот) и интенсивности работы РЭС.
Наблюдение реализуется путем выполнения таких процедур:
– задания частот, соответствующих верхней и нижней границе полосы частот наблюдения;
– задания временных режимов анализа (периодичности и интервала) и критериев выявления радиоизлучения (по определенным уровням сигнала или напряженности электромагнитного поля излучения);
– выполнения задания по выявлению радиоизлучений;
В случае необходимости проведения пространственной селекции
радиоизлучений для наблюдения за конкретным радиоизлучением, как исключение может применяться портативное оборудование с использованием направленных АС. Но в этом случае, ввиду отсутствия специализированного программного обеспечения (ПО), которое способно обеспечивать выполнение задач по наблюдению за радиоизлучением автоматизированным способом, реализация этой задачи возможна только в ручном режиме с последующей отдельной обработкой полученной информации.
3.4 Селекция радиоизлучений
Селекция радиоизлучений — это разделение радиоизлучений на определенные группы (категории) по определенным критериям в процессе проведения мониторинга радиочастотного спектра и технического радиоконтроля. Цель проведения селекции — выявление радиоизлучений, относящихся к определенным группам (категориям). Критерии, по которым может проводиться селекция радиоизлучений, зависят от содержания поставленных задач. В частности, такими критериями могут быть:
– ширина полосы (диапазон) частот радиоизлучения;
– уровень сигнала (напряженность электромагнитного поля радиоизлучения.
– вид модуляции сигнала; – направление, с которого поступает радиоизлучение;
– временные характеристики работы ИРИ;– наличие (или отсутствие) сведений о ИРИ, которому принадлежит определенное радиоизлучение, в БД учета РЭС (учета присвоений частот).
Осуществление селекции радиоизлучений заключается в реализации таких процедур:
– выявления излучений в заданной полосе частот (на определенной частоте);
– предыдущие оценивания параметров радиоизлучения;
– проведение анализа относительно соответствия параметров и характеристик радиоизлучений (параметров и характеристик сигналов) заданным критериям;
– принятие решения о принадлежности конкретного радиоизлучения к определенной категории.
Селекция радиоизлучений является вспомогательной предварительной процедурой для проведения идентификации, пеленгования и инструментального оценивания параметров радиоизлучений.
Пространственная селекция, наряду с идентификацией радиоизлучений, проводится с целью установления факта, какая именно РЭС является источником анализируемого радиоизлучения.
Наличие и возможность использования на автоматизированных рабочих местах (АРМ) автоматизированных средств радиомониторинга, а также возможность применения результатов выполнения предыдущих задач по радиомониторингу, хранящихся в БД радиообстановки, значительно упрощает проведение селекции. Под измерением (инструментальным оцениванием) параметров радиоизлучения подразумевается отображение физических величин и их значений с помощью специальных технических средств. В случае применения функционально завершенных автоматизированных стационарных комплексов радиомониторинга, оснащенных направленными антенными системами, измерения параметров радиоизлучения осуществляется автоматически в процессе выполнения поставленных задач радиомониторинга. Сам процесс измерения в этом случае заключается в реализации таких процедур:
– проведение панорамного спектрального анализа в полосе частот, в которой планируется измерение параметров определенного радиоизлучения;
– выявление необходимого радиоизлучения и ориентировочное определение направления на его источник с применением ненаправленных или слабонаправленных антенн;
– уточнение направления ИРИ путем применением остронаправленных антенн (при наличии такой возможности);
– оценивания ширины полосы частот, которую занимает радиоизлучение;
– анализ заданной полосы частот и смежных с ней полос относительно отсутствия (наличия) посторонних радиоизлучений и, при их наличии, ориентировочное оценивание степени возможного влияния этих излучений на достоверность измерений;
– постановка задачи к измерениям параметров радиосигнала (уровня, частоты, стабильности частоты, сдвига частоты, девиации частоты, ширины полосы частот сигнала и т.д.), вычисления параметров радиоизлучения (напряженности электромагнитного поля, мощности и др.) и определения характеристик радиоизлучения (вида модуляции, класса радиоизлучения);
– проведение измерений и анализ результатов.
3.5 Измерение параметров радиоизлучения
Особенность инструментального оценивания параметров радиоизлучения с применением автоматизированных стационарных и мобильных комплексов радиомониторинга, которыми оснащены управления радиочастотного мониторинга (УРЧМ) и подразделения радиочастотного контроля в региональных филиалах УГЦР, заключается в том, что в подавляющем большинстве комплексов отсутствуют направленные измерительные антенны, поэтому все измерения проводятся с применением ненаправленных антенн.
В связи с унификацией интерфейса большинства автоматизированных стационарных и мобильных комплексов радиомониторинга процедура проведения инструментального оценивания параметров радиоизлучения обычно также стандартизирована и реализуется путем выполнения таких процедур:
– проведение панорамного спектрального анализа в определенной полосе частот;
– визуальное обнаружение радиоизлучений, оценка параметров которых планируется;
– анализ панорамы спектра в заданной полосе частот и в смежных полосах с целью выявления посторонних радиоизлучений, которые могут помешать проведению инструментального оценивания, приблизительное оценивание степени их возможного влияния на достоверность измерений;
– предыдущее оценивания уровня сигнала и ширины полосы частот, которую занимает определенное излучения;
– постановка задачи по проведению инструментального оценивания параметров радиосигнала;
– получение и анализ результатов инструментального оценивания.
Для получения как можно большей достоверности измерений их повторяют несколько раз и применяют режим накопления результатов (режим МахНоld).
В случае определения ширины контрольной или занимаемой полосы частот путем ее измерения на определенном уровне необходимо убедиться, что уровень сигнала, анализируется, как минимум на 5 дБ больше заданного уровня, а ширина полосы частот анализа больше ширины полосы частот контролируемого радиоизлучения.
По этому методу как правило чаще всего проводятся измерения параметров излучений мощных передатчиков, применяемых для радиовещательной и радиолокационной служб. Помимо получения результатов оценки по целевому назначению (как следствия выполнения задания) они могут также быть использованы для идентификации радиоизлучений и ИРИ.
Этот метод самый распространенный для проведения измерения параметров радиоизлучения РЭС фиксированной связи (передатчиков радиорелейных станций, земных станций спутниковой связи, базовых станций радиотехнологий WiMAX, Wi-Fi, передатчиков радиовещательной службы, которые находятся за пределами зон радиодостижения стационарных радиоконтрольних постов (РКП)), а также для выявления радиопомех в случае проведения мониторинга спектра с применением мобильных средств.
3.6 Пеленгование ИРИ
Пеленгования ИРИ имеет своей целью определение направления (пеленга) на ИРИ с целью установления его местонахождения. При использовании автоматизированных стационарных средств радиомониторинга пеленг на ИРИ определяется путем реализации таких процедур:
1) проведение панорамного спектрального анализа в полосе частот, в которой планируется пеленгования;
2) выявления радиоизлучения, источник которого нужно запеленговать.
3) осуществление анализа панорамы спектра в заданной полосе частот и в смежных с ней полосах с целью выявления посторонних радиоизлучений, которые могут негативно повлиять на результаты пеленгования;
4) постановка задачи по проведению пеленгования для определенных РКП данной региональной подсистемы радиомониторинга;
5) получение и анализ результатов пеленгования.
3.7 Определение местоположения ИРИ
Определение местоположения ИРИ — это определение его uеографических координат с помощью технических средств радиомониторинга. Процедура определения местонахождения ИРИ во время проведения радиомониторинга основывается на использовании результатов определения направлений на него. Содержание этой процедуры имеет некоторые отличия в зависимости от типа применяемого оборудования.
Например, местонахождение ИРИ определяется:
– в случае применения стационарных средств радиомониторинга — как точка пересечения минимум двух пеленгов на ИРИ, измеренных с разных территориально разнесенных пунктов;
– в случае применения мобильных комплексов (станций) радиомониторинга — путем совместной обработки и расчета географических координат ИРИ по результатам измерений пеленга на ИРИ из нескольких территориально разнесенных пунктов по маршрутам движения комплексов.
Определение местоположения ИРИ АСРМ реализуется путем использования только автоматизированных стационарных и мобильных комплексов радиомониторинга и основывается на использовании результатов пеленгования этого ИРИ.
В случае применения автоматизированных стационарных комплексов радиомониторинга местонахождение ИРИ определяется по классическим методам как точка пересечения минимум двух пеленгов на ИРИ, измеренных с разных территориально разнесенных позиций, путем реализации таких процедур:
1) проведение панорамного спектрального анализа в полосе частот, в которой планируется проведение пеленгования и местоопределения ИРИ, и в смежных с ней полосах с целью выявления посторонних радиоизлучений,
2) постановка задачи по проведению синхронного пеленгования на определенной частоте радиоизлучения для нескольких (минимум двух) РКП, входящих в состав автоматизированной региональной подсистемы радиомониторинга;
3) получение результатов относительно ориентировочного места расположения ИРИ;
4) определение географических координат местонахождения ИРИ с применением электронной карты местности;
5) уточнение географических координат ИРИ путем усреднения полученных результатов.
При использовании мобильных комплексов радиомониторинга местонахождение ИРИ определяется методом «широкоапертурной антенны».
3.8 Идентификация радиоизлучений
Под идентификацией радиоизлучения подразумевается его классификация (отнесение к определенному классу или группе) за счет определения обнаруженных признаков этого излучения и сравнения его характеристик с известными. Идентификация радиоизлучения нужна, во-первых, для проведения идентификации ИРИ, во-вторых, для определения и последующего задания режимов измерения параметров радиоизлучения и определения его характеристик (например, вида модуляции). Процедура идентификации может также применяться в отношении новых или неизвестных радиоизлучений.
На практике для идентификации радиоизлучений применяется двухступенчатая процедура их распознавания:
– раннее распознавание известных или стандартизированных радиосигналов;
– распознавание радиосигналов по их характеристикам и параметрам.
В первом случае распознавание основывается на отличительных признаках, которые содержатся непосредственно в радиосигналах
Раннее распознавание относится к методам активного распознавания. Оно довольно неэффективно, поскольку имеет слишком ограниченное применение и практически не используется для распознавания цифровых радиосигналов.
Во втором случае для распознавания используются такие признаки (характеристики и параметры) радиосигналов:
- тип сигнала: аналоговый или цифровой;
- ширина полосы частот;
- спектральные и временные характеристики сигнала (форма спектра, форма сигнала во временной области (непрерывный или пакетный);
- продолжительность временного интервала;
- вид и характеристика модуляции.
3.8.1 Методы идентификации и анализ параметров радиосигналов
Анализ структуры параметров радиосигналов (параметров радиоизлучения) с последующей статистической обработкой информации относительно параметров излучения РЭС относится к категории пассивных методов распознавания (пассивных потому, что структура сигнала не содержит в себе никаких отличительных признаков). При этом используются информационные, энергетические, временные и спектральные параметры радиосигналов, характерные для излучения конкретного передатчика.
Методы идентификации аналоговых и цифровых радиосигналов существенно отличаются друг от друга. Идентификация аналоговых радиосигналов осуществляется путем применения таких операций:
Шаг 1: непосредственное прослушивание демодулированного АМ, ЧМ или ФМ сигналов, при условии успешной их демодуляции и фильтрации.
Шаг 2: воспроизведение демодулированного аналогового ТВ сигнала.
Шаг 3: распознавание речевой информации с помощью расчетов и построения гистограмм изменений пиковых уровней сигналов вещания.
Шаг 4: панорамное представление, частотно-временное воспроизведение сигнала для определения вида сигнала, инструментального оценивания параметров сигнала (частоты, ширины полосы частот, параметров модуляции) и определения характеристик модуляции.
Для распознавания цифровых радиосигналов применяются:
– Инструментальное оценивание сдвига частоты;
– Оценка скорости передачи информации;
– Анализ потока битов.
Под идентификацией ИРИ подразумевается определение принадлежности данного электромагнитного излучения к конкретному источнику на основе анализа и сравнения характеристик этого излучения с известными. Целью проведения идентификации ИРИ является проверка выполнения определенным пользователем РЧС условий заключенных договоров, документов, норм и правил в сфере использования РЧС.
Нормативные основания проведения идентификации ИРИ урегулированные в. 18 Регламента радиосвязи, в частности, в том, что «все передачи должны обеспечивать их распознавание с применением опознавательных признаков или другими методами».
К опознавательным признакам относятся: позывной сигнал, название радиостанции, пеленг на радиостанцию или ее географические координаты, название организации, эксплуатирующей радиостанцию, официальный регистрационный номер, опознавательный номер рейса (для самолета), характерный сигнал, характеристики радиоизлучения и другие признаки, обеспечивающие распознавание радиоизлучения в международном масштабе.
Идентификация ИРИ осуществляется путем применения таких операций:
Шаг 1: проведение идентификации радиоизлучения путем определения характеристик и инструментального оценивания параметров радиоизлучения и его классификации.
Шаг 2: проверка возможной принадлежности данного радиоизлучения какому либо из известных передатчиков (РЭС) с БД учета РЭС или передатчиков, информация о которых содержится в БД учета частотных присвоений, излучение которых было ранее зарегистрировано средствами радиоконтроля.
Шаг 3: принятие решения о принадлежности определенного
Радиоизлучения конкретном передатчику (РЭС).
В процессе проведения идентификации оператор имеет дело как с известными радиоизлучениями, что значительно упрощает процесс получения информации о РЭС с БД учета присвоений частоты и БД радиообстановки, так и с неизвестными радиоизлучениями. В этом случае эффективность проведения идентификации радиоизлучения в значительной степени зависит от квалификации и опыта работы оператора.
В связи с тем, что радиомониторинг осуществляется постоянно, это обеспечивает достаточно высокую эффективность идентификации радиосигналов и идентификацию ИРИ.
По результатам обработки данных радиомониторинга:
– определяются оценки и делаются выводы относительно степени, эффективности и интенсивности использования (занятости) полос частот (частотных каналов, частот);
– предоставляются предложения относительно перераспределения полос частот в целях обеспечения эффективного использования РЧС;
– предоставляется информация о выявленных нарушениях в сфере пользования РЧС, что может быть основанием для проведения технического радиоконтроля или реализации мероприятий по устранению их причин или прекращения работы РЭС, нарушающих установленные нормы, правила или требования разрешительных документов.
3.9 Технический радиоконтроль
Технический радиоконтроль организуется:
– на основании выполнения плановых или внеплановых заданий;
– на основании соглашений с пользователями РЧС о проведении технического радиоконтроля параметров радиоизлучения;
– в случае выявления нарушений в сфере пользования РЧС по результатам проведения радиомониторинга;
– по заявлениям пользователей РЧС о наличии радиопомех для РЭС в определенном месте. Технический радиоконтроль (ранее этот вид радиоконтроля называли эфирным радиоконтролем), как правило, проводится с применением многофункциональных мобильных комплексов (станций) радиомониторинга, специализированных мобильных станций радиоконтроля и переносного (носимого) оборудования. В ряде случаев (например, для проведения технического радиоконтроля параметров радиоизлучения мощных передатчиков радиовещательной и радиолокационной служб) могут применяться стационарные средства радиомониторинга.
В общем случае технический радиоконтроль реализуется путем применения следующих методов:
1) поиск и выявление радиоизлучений в заданной полосе частот (на заданной частоте);
2) селекция радиоизлучений;
3) измерение (инструментальное оценивание) параметров адиоизлучения с применением автоматизированных стационарных комплексов радио-мониторинга, специализированных и многофункциональных мобильных комплексов радиоконтроля;
4) измерения параметров радиоизлучения с применением портативного или носимого оборудования;
5) местоопределения ИРИ;
6) идентификации радиоизлучения и ИРИ;
7) инструментальное оценивание показателей качества обслуживания и показателей качества предоставления услуг.
Поиск радиоизлучения в процессе технического радиоконтроля реализуется путем выполнения таких процедур:
– определение пункта, где планируется проведение работ по выявлению радиоизлучения и измерения его параметров;
– расположение технического средства радиоконтроля в определенном
пункте;
– постановка задачи на проведение сканирования полос радиочастот (отдельных радиочастот) с указанием диапазона частот сканирования, скорости сканирования, вида модуляции;
– сканирования определенных полос радиочастот;
– получения результатов и их анализ;
– выявления необходимого радиоизлучения;
– повторение процедуры поиска в другом пункте в случае отсутствия
радиоизлучения в месте контроля.
3.10 Измерения параметров радиоизлучения
Измерения параметров радиоизлучения в процессе проведения технического радиоконтроля не отличается от методов измерения при мониторинге спектра.
Измерения параметров радиоизлучения в случае применения специализированных мобильных комплексов технического радиоконтроля несколько отличается от рассмотренных выше методов измерения при использовании стационарных и мобильных средств радиомониторинга общего назначения. Это обусловлено расширенными возможностями таких комплексов, в частности, наличием измерительных антенных систем (АС), возможностью пространственной селекции радиоизлучений за счет вращения антенн в азимутальной плоскости и изменения угла их наклона. Существенное преимущество специализированных мобильных средств контроля — это большая достоверность измерений благодаря возможности проведения контроля непосредственно у места расположения РЭС или в месте, где наблюдаются радиопомехи.
Процесс измерения параметров радиоизлучения в случае применения портативных (носимых) средств радиоконтроля заключается в реализации таких процедур:
– проведение панорамного спектрального анализа в полосе частот, в которой планируется выполнение радиоконтроля параметров радиоизлучения, с применением ненаправленный или слабо направленных антенн.
– визуальное обнаружение запланированного радиоизлучения;
– установление направленной измерительной антенны и определения ориентировочного направления на источник, излучение которого анализируются;
– анализ заданной полосы частот и смежных с ней полос для выявления отсутствия (наличия) посторонних радиоизлучений, которые могут помешать проведению контроля или повлиять на его результаты;
– ориентирования антенны на ИРИ по критерию максимального значения уровня сигнала на экране дисплея измерительного средства;
– определения параметров радиосигнала (частоты, ширины полосы частот);
– анализ полученных результатов.
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СТРУКТУРЫ И МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
4.1 Требования к сетям мобильной связи с позиционированием мобильных терминалов
Главной задачей сети является обеспечение возможности совместного использования ресурсов в реальном времени. В рассматриваемом случае совместно используемыми ресурсами являются радиоканалы передачи и вычислительная подсистема. Для того, чтобы сеть мобильной связи успешно справлялась как с задачами предоставления услуг собственно связи и передачи данных, так и с задачами позиционирования, вычислительная подсистема должна отвечать требованиям по производительности, надежности и др. Конкретизируем эти требования применительно к задаче обеспечения работы вычислительной подсистемы при больших перепадах интенсивности вычислительной нагрузки. Заметим, что с этих позиций сеть мобильной связи следует рассматривать как систему критичного применения, т.е. систему с жесткими требованиями к быстродействию, надежности, другим наиболее важным характеристикам и принципам построения.
Производительность вычислительной сети определяет объем передаваемых данных и время, требуемое на их передачу. Для оценки производительности сетей общего назначения используются общепринятые числовые характеристики – время реакции сети, средняя пропускная способность, максимально возможная пропускная способность, задержка передачи. Применительно к системам критичного применения пропускная способность задается, непосредственно исходя из максимальной ожидаемой скорости протекания процессов в обслуживаемой системе. В дальнейшем она может изменяться (как правило, в сторону увеличения) при изменении требований к системе в целом. Например, для системы позиционирования важным фактором является максимальная ожидаемая интенсивность запросов в локальной зоне обслуживания. Однако при этом время реакции и задержка передачи данных могут меняться в широких пределах, что недопустимо при решении задач позиционирования. Поэтому приоритетными требованиями к вычислительной сети являются предельно допустимые значения именно времени реакции и задержки передачи данных.
Надежность означает вероятность того, что сеть выполняет свои функции. Надежности технических устройств обычно характеризуется временем наработки на отказ и коэффициентом готовности (процент времени, в течение которого система может быть использована). Надежность инфокоммуникационных сетей также характеризуется вероятностью доставки сообщения адресату. Надежность и ремонтопригодность сетей систем критичного применения должны быть такими, чтобы при отказах элементов снижение характеристик системы не выходило за некоторые, заранее определенные пределы. Время восстановления оборудования или программного обеспечения не должно превышать десятки секунд, максимум одну-две минуты.
Безопасность означает защиту от несанкционированного доступа к данным и обеспечение надежности и устойчивости к преднамеренным разрушающим действиям.
Расширяемость – это возможность сравнительно легкого добавления новых элементов сети. Для систем критичного применения выдвигается дополнительное требование – возможность модификации сети в процессе ее функционирования, без снижения эксплуатационных характеристик.
Масштабируемость – это возможность наращивания размеров сети, в том числе путем присоединения дополнительных сегментов, например, новых ячеек с базовыми станциями.
Прозрачность означает возможность использования ресурсов сети одним и тем же способом независимо от их фактического размещения – на локальном компьютере, в специализированном вычислителе или в промежуточных узлах сети. При этом пользователь как бы «не замечает» сети, работая непосредственно с ресурсами.
Поддержка разных видов трафика – возможность совмещения функций различных сетей, например телефонной, связной и вычислительной (компьютерной).
Управляемость – возможность централизованного обнаружения и устранения сбоев, неисправностей, распределения ресурсов и полномочий между пользователями. Остановимся на этой задаче подробнее, поскольку для большой пространственно распределенной корпоративной сети критичного применения эффективность управления имеет важнейшее значение.
Для управления корпоративными компьютерными сетями, включающими большое количество активного оборудования, необходимы сложные системы управления, осуществляющие мониторинг, контроль и управление каждым элементом компьютерной сети.
По результатам анализа систем управления компьютерными сетями можно определить общие требования, предъявляемые к таким системам. Идеальная система наблюдает за сетью и предотвращает возникновение сбоев в ее работе. При этом, обнаружив (спрогнозировав) проблему, система активизирует определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет администратора о том, что произошло и какие шаги предприняты. Одновременно с этим система управления должна накапливать статистические данные, на основании которых можно планировать развитие сети. В общем случае, система должна быть независимой от производителя и обладать удобным интерфейсом, позволяющим выполнять все действия с одной консоли.
Существующие системы управления, несмотря на их функциональную избыточность, не имеют в своем составе развитых интеллектуальных средств, позволяющих качественно прогнозировать поведение компьютерной сети. Большинство средств управления в действительности сетью не управляет, а всего лишь пассивно осуществляет ее мониторинг. Они следят за сетью, но не выполняют активных действий, при этом фиксируя только факт сбоя. Идеальным решением была бы разработка системы анализа, прогнозирования и локализации возможных сбоев в работе как компьютерной сети в целом, так и отдельных ее элементов. Такое свойство системы поможет заранее выявить возможные узкие места и принять меры по заблаговременной их ликвидации. Однако такая система управления практически нереализуема для работы в условиях критичного применения [25,105,106]. Поэтому реальным подходом к решению данной задачи представляется текущая адаптация некоторых подсистем системы в целом к изменяющимся условиям применения, перераспределение ресурсов сети для решения конкретных приоритетных задач (например, при возникновении экстремальных ситуаций различного характера). Такой подход вполне логичен и естествен, если учесть, что любая крупная корпоративная сеть состоит из отдельных сегментов, которые сравнительно слабо влияют друг на друга.
Проанализируем характеристики ожидаемой нагрузки на информационно-вычислительную подсеть сети мобильной связи, которая должна работать в реальном времени и в экстремальных условиях, возникающих в моменты включения системы позиционирования, т.е. в условиях критичного применения. Для этого рассмотрим, прежде всего, потенциальные статистические характеристики системы позиционирования, поскольку от длительности настройки алгоритма и выхода на стационарный режим измерения зависит объем вычислительной нагрузки. Имея данные характеристики, можно обосновать требования к вычислителю и, соответственно, рекомендации по программной и/или аппаратной реализации его элементов.
4.2. Оценка потенциальных характеристик измерителя
Для оценки точности и помехоустойчивости измерителя необходимо решить уравнения для апостериорных дисперсий ошибок фильтрации, т.е. для диагональных элементов корреляционной матрицы [107].
Матрица находится путем решения дифференциального уравнения типа уравнения Риккати:
Матрица находится из уравнения, аналогичного уравнению (3.10а), где вместо истинного значения вектора берется его текущая оценка . В соответствии с уравнениями (3.8) матрица содержит следующие ненулевые элементы:
где – отношение энергии сигнала к усредненной в полосе приема спектральной плотности помех и шумов.
В практических задачах уравнения (4.1 – 4.2) можно решить только численными методами [95 – 97]. Для анализа синтезированного алгоритма была использована стандартная вычислительная процедура – метод Рунге-Кутта четвертого порядка при следующих исходных данных:
- отношение энергии одиночного сигнала к спектральной плотности помех и шумов не менее 9,6 дБ;
- объект – носитель мобильной станции неподвижен, или движется прямолинейно и равномерно со скоростью 5 км/час, или совершает маневры (изменение направления движения на 180° или поворот с постоянной угловой скоростью по дуге радиусом 10 м);
- в качестве исходной корреляционной матрицы задавалась диагональная матрица. Элементы матрицы выбирались, исходя из общих характеристик сигналов в системе мобильной связи и реальных возможностей перемещения среднего человека – носителя МС.
Некоторые результаты оценки потенциальной точности разработанного устройства приведены на рис. 4.1 – 4.3. Приведены зависимости относительных СКО измерений от длительности интервала наблюдения. Ошибки измерялись в долях от длительности элементарной посылки в пакете (в стандарте GSM она равна примерно 3,7 мкс).
Рис. 4.1. Относительные СКО оценивания разностей дальностей БС1 – БС2 и БС1 – БС3. Объект неподвижен или движется прямолинейно с постоянной скоростью.
Рис. 4.2. Относительные СКО оценивания разностей дальностей БС1 – БС2 и БС1 – БС3. Объект движется прямолинейно, регулярно меняя направление движения на противоположное.
Рис. 4.3. Относительные СКО оценивания разностей дальностей БС1 – БС2 и БС1 – БС3. Объект движется с постоянной угловой скоростью по дуге радиусом 10 м.
Для большей наглядности графики зависимостей СКО нарисованы с учетом знаков разностей истинного и измеренного значений координат объекта. Скачкообразный характер изменения и смены знаков ошибок обусловлены дискретностью поступления новой информации о положении объекта.
Судя по полученным результатам, при достаточном объеме статистики средние значения ошибок оценивания асимптотически приближаются нулю независимо от характера движения объекта. Это достигается не только благодаря сглаживанию текущих результатов измерения, но и благодаря экстраполяции координат объекта на следующий цикл измерений. Экстраполятор как бы «приспосабливается» к характеру движения объекта и со временем все точнее предсказывает его будущее положение. Соответственно, может достигаться СКО измерений, равная 6…15 м.
Установившийся режим достигается примерно через 30…40 циклов измерений. В установившемся режиме величина флюктуационной ошибки измерений зависит, в основном, от отношения сигнал/шум.
Естественно, самый плохой вариант – не координированное и не коррелированное движение объекта (типа броуновского движения). В этом случае экстраполяция не дает видимого улучшения результатов измерения. Однако вследствие конечной массы и ограниченных энергетических ресурсов объекта такой случай можно рассматривать только в качестве теоретического верхнего предела ошибки.
На рис. 4.4 изображены зависимости величины , характеризующей СКО разности дальностей , от относительной длительности интервала наблюдения, представляющей собой количество принятых сигналов. При достаточной длительности интервала наблюдения, как и следовало ожидать, влияние перемещений объекта сглаживается.
Производились также расчеты зависимости установившихся значений ошибок от отношения сигнал/(помехи плюс шум). Некоторые результаты расчетов приведены на рис. 4.5. В среднем при увеличении от 10 до 17 дБ величина ошибки уменьшается на 50 % … 75 % в зависимости от характера движения объекта.
Рис. 4.4. Графики зависимостей величины СКО разности дальностей от относительной длительности интервала наблюдения.
Рис. 4.5. Графики зависимостей величины СКО разности дальностей от отношения сигнал/(помехи плюс шум).
Благодаря сглаживанию и экстраполяции координат и параметров движения объекта удается достичь приемлемой точности определения местоположения объекта. При этом вмешательство в инфраструктуру сети мобильной связи является минимальным, поскольку вся обработка может осуществляться в универсальной ЭВМ или цифровом процессоре вне зависимости от процессов организации собственно связи.