AntonKV

Павлов В.А.

Мурзабаев Рамиль Ринатович

В данной работе мы представляем технологию пассивного радиопеленгования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В её основе лежит многопозиционный подход, позволяющий точно определять координаты радиоизлучающего объекта, преимущественно БПЛА, без применения активных радиолокационных средств. Дело в том, что дальность действия пассивных средств пропорциональна квадрату расстояния, в то время как для активных средств эта величина равна четвертой степени. Это объясняет их актуальность с точки зрения энергоэффективности и потенциально низкую заметность с точки зрения радиоэлектронной борьбы.

Современные БПЛА чаще всего оснащены собственными радиоэлектронными каналами связи, такими как, пульты управления, каналы видеотрансляции, телеметрия и т.д. Пассивное радиопеленгование использует это свойство: приёмники на земле анализируют шумовые и служебные сигналы БПЛА, не излучая сами. Такая система работает в «режиме радиомолчания»: неизвестный БПЛА не знает, что за ним следят, и не создаёт дополнительных радиопомех.

Активные датчики, такие как радиолокаторы или лидары, сами излучают импульсы и регистрируют отражения. Они хороши в любых погодных условиях, но могут быть заметны и подвержены замиранию и затуханию сигнала. Пассивные радиопеленгаторы непрерывно «слушают» широкий радиодиапазон (например, 2.4 ГГц стандартная частота FPV БПЛА) и определяют направление на источник сигнала по фазе или времени прихода. Они практически не чувствительны к погодным условиям и слабо влияют на окружающую среду, поскольку не генерируют мощные импульсы. Это позволяет их использовать в городских и загородных условиях без лицензирования.

Многопозиционная система и методы локализации

Для определения координат БПЛА пассивные пеленгаторы размещают в нескольких точках. На каждой станции измеряется азимут до радиоисточника. Затем решение простой геометрической задачи позволяет определить местоположение передатчика. В простейшем случае двух координат (двумерной плоскости) достаточно двух станций: пересечение двух прямых на плоскости – это местоположение дрона. Такой метод называют триангуляцией (рис. 1). При трёх и более станциях возможен расчет с помощью так называемого разностно-дальномерного метода.

При использовании триангуляционного метода «математика» сводится к простейшему преобразованию вида:

Проведение экспериментальных исследований

В ходе экспериментов мы использовали двухпозиционную конфигурацию с синхронизацией пеленгаторов по радиорелейной линии связи. Станции работали в дециметровом диапазоне частот, отслеживая сигналы БПЛА, который транслировал радиосигнал на частоте 2.4 ГГц — типичный диапазон, используемый большинством коммерческих БПЛА (рис. 2).

Ключевые параметры эксперимента:

• Расстояние между пеленгаторами (база): 422 метра

• Высота полёта БПЛА: от 130 до 300 метров

• Максимальное расстояние от пеленгатора до БПЛА: ~2500 метров

• Частота дискретизации измерений: 8 секунд

На каждой станции велся непрерывный пассивный пеленг сигнала от БПЛА. Далее данные обрабатывались нашим специализированным программным обеспечением, включающим:

• Фильтрацию «сырых» пеленгов

• Решение триангуляционной задачи в реальном времени

• Визуализацию траектории движения дрона

На графиках ниже представлены результаты экспериментов:

К сожалению «радиоволна» достаточно «капризная дама», дополняющая угловые измерения существенным количеством помех, преимущественного из-за многолучевого распространения. Поэтому даже для отфильтрованных данных конечных результат триангуляции будет не совсем корректным (рис. 4)

Для тех случаев, когда пеленгуемый БПЛА совершает резкие изменения курса, возможны «выбросы» пеленгов (рис. 5). Это приводит к существенным погрешностям в оценке координат в области маневра БПЛА (рис. 6)

Несмотря на эффективность и широкий потенциал, разработка многопозиционных пассивных систем радиопеленгования сталкивается с рядом фундаментальных задач, от которых напрямую зависит точность и надёжность всей системы. В ходе наших исследований мы выделили три ключевые проблемы:

1.1. Точность измерения угловых координат

В системе пассивного радиомониторинга вся геометрия построения координат БПЛА основана на углах прихода сигнала. Малейшие ошибки в измерении этих углов (на доли градуса) могут давать сотни метров ошибки по дальности. Особенно это критично при удалённости объекта: чем дальше БПЛА от станции, тем сильнее влияет даже минимальная погрешность.
Повышение точности угловых измерений — приоритетная задача, которая требует:

• высокой чувствительности антенн,

• точной калибровки оборудования,

• использования цифровой фильтрации и предсказательных алгоритмов (в том числе на базе нейросетей).

1.2. Наличие «мёртвых» секторов (геометрическая неоднозначность)

Если пеленгаторы и БПЛА расположены на одной прямой, возникает ситуация, при которой расчёт дальности становится крайне неточным — это связано с «геометрической неоднозначностью»: направление известно, но расстояние оценить почти невозможно. В таких конфигурациях резко растёт среднеквадратическое отклонение (СКО) по координатам. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо:

• использовать не менее трёх пеленгаторов

• располагать их в вершинах треугольника, желательно приближённого к равностороннему — это создаёт устойчивую систему координат и позволяет уверенно локализовать БПЛА.

1.3. Выбор расстояния (базы) между пеленгаторами

Слишком близкое расположение станций приводит к низкой точности оценки координат из-за малого параллакса. С другой стороны, чрезмерное увеличение расстояния между станциями усложняет синхронизацию, ухудшает приём слабых сигналов и снижает надёжность в условиях городской застройки. Идеально, если база между станциями соизмерима с дальностью до объекта наблюдения. Например, при предполагаемой зоне контроля в 2–3 км, оптимальная база — порядка 400–600 метров.

2. Предлагаемые направления исследования:

• Создание многопозиционных систем сопровождения БПЛА

• Увеличение точности измерения угловых координат

• Распознавание воздушных целей

2.1. Зоны бланкирования и база между пеленгаторами

База между пунктами наблюдения должна быть соизмерима с величиной дистанции наблюдения за ИРИ;
Трехпозиционная система с разнесенными станциями – это минимальные требования к построению многопозиционной системы;
Проблема зоны бланкирования, когда линия для двухпозиционной системы совпадает с местоположением ИРИ, из-за чего измерение координат ИРИ становиться крайне сложной задачей.

Основные ухудшающие факторы при оценке угловых координат

Многолучевое распространение зависит от взаимного расположения передатчика (БПЛА) и приемника (пеленгатор) и влияет на замирание сигнала, что приводит к не корректной оценке угловых координат.

Рефракция – искривление излучения вследствие неоднородности атмосферы влияет на аддитивное смещение оценки угловых координат.

2.2. Применение рекуррентных AI для увеличения точности измерения угловых координат

С точки зрения математики рекуррентная нейронная сеть - это класс динамических нелинейных систем для сопоставления последовательностей данных с другой последовательностью, использующих концепцию виртуального времени, что может быть эффективно применено для запоминания условий распространения сигнала ИРИ, если существуют большая обучающая выборка.

• Признаки источника радиоизлучения БПЛА: частота излучения, мощность принимаемого сигнала;

• Признаки атмосферных факторов, влияющих на дифракцию, рефракцию и интерференцию: температура, влажность и т.д.;

• Признаки многолучевого распространения: высота БПЛА, высота пеленгатора, радиоконтрастные объекты местности.

Распознавание источников радиоизлучений различных классов

Задача распознавания классов БПЛА является одной из ключевых в современных средствах радио мониторинга. К счастью, мы знаем, как ее решить. Проблемы имеет ряд подзадач:

• Определение класса объекта по совокупности радиотехнических признаков, полученных в виде информационного пакета (формуляра цели)

• Формирование базы данных (классификатора), в котором фиксируются всех отличительные свойства радиоизлучающего объекта.

• Создание метода (алгоритма), позволяющего распознавать объекта, сравнивая полученные радиотехнические признаки с признаками, существующими в базе данных

Сама проблема распознавания БПЛА решается на основе байесовского подхода. То есть по известной совокупности радиотехнических признаков необходимо отыскать требуемый класс объекта. Для этих целей уже существует запатентованный программный продукт, позволяющий ручным способом заносить данных о сигнале и получать готовый результат автоматизировано (рис. 11).

Программный продукт требует внедрения в комплекс радиомониторинга и в ближайшее время эта задача предстоит нашим ученым, исследователям и инженерам.

Стратегии дальнейших исследований и реализации

Для представленной технологии требуется осуществить ряд дополнительных совершенствований, позволяющих улучшить характеристики точности определения координат и классификации БПЛА. Для этого требуется также ряд дополнительных экспериментальных исследований (рис. 12)  

Итог. Особенности нашей разработки:

• Высокая точность угловых измерений за счёт тщательно откалиброванной антенны и алгоритмов сглаживания;

• Возможность масштабирования системы до трёх и более пеленгаторов с переходом к разностно-дальномерным методам;

• Устойчивость к погодным и городским условиям;

• Возможность дальнейшего расширения для распознавания классов БПЛА.