Радиолокация

Радиолокация , также известная как радиолокация или радиопозиционирование , представляет собой процесс определения местоположения чего-либо с помощью радиоволн . Обычно это относится к пассивному использованию, в частности к радару , а также к обнаружению подземных кабелей, водопроводов и других коммунальных услуг . Это похоже на радионавигацию , но под радиолокацией обычно подразумевается пассивный поиск удаленного объекта, а не активный поиск собственной позиции; оба являются типами радиоопределения . Радиолокация также используется в системах определения местоположения в реальном времени (RTLS) для отслеживания ценных активов.

Основные принципы

Объект можно обнаружить путем измерения характеристик принимаемых радиоволн. Радиоволны могут передаваться объектом, который необходимо обнаружить, или они могут быть волнами обратного рассеяния (как в радаре или пассивной RFID ). Поиск гвоздиков использует радиолокацию, когда он использует радиоволны, а не ультразвук .

Один метод измеряет расстояние, используя разницу мощности принимаемого сигнала (RSSI) по сравнению с мощностью исходного сигнала. Другой метод использует время прибытия (TOA), когда известны время передачи и скорость распространения. Объединение данных TOA от нескольких приемников в разных известных местах (разница во времени прибытия, TDOA) может обеспечить оценку местоположения даже при отсутствии знания времени передачи. Угол прихода (AOA) на приемную станцию ​​можно определить с помощью направленной антенны или по дифференциальному времени прибытия на решетку антенн с известным местоположением. Информация AOA может быть объединена с оценками расстояния, полученными с помощью ранее описанных методов, для установления местоположения передатчика или источника обратного рассеяния. Альтернативно, AOA на двух приемных станциях с известным местоположением устанавливает положение передатчика. Использование нескольких приемников для обнаружения передатчика известно как мультилатерация. .

Оценки улучшаются, когда в расчетах учитываются характеристики передачи среды. Для RSSI это означает электромагнитную проницаемость ; для TOA это может означать прием вне прямой видимости .

Использование RSSI для обнаружения передатчика от одного приемника требует, чтобы была известна как передаваемая (или обратно рассеянная) мощность от объекта, который необходимо обнаружить, так и характеристики распространения в промежуточной области. В пустом пространстве мощность сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния для расстояний, больших по сравнению с длиной волны и объектом, который необходимо обнаружить, но в большинстве реальных сред может возникнуть ряд ухудшений: поглощение, преломление, затенение и отражение. Поглощение незначительно при распространении радиоизлучения в воздухе на частотах менее 10 ГГц, но становится важным на частотах в несколько ГГц, где могут возбуждаться вращательные состояния молекул. Рефракция важна на больших расстояниях (от десятков до сотен километров) из-за градиентов содержания влаги и температуры в атмосфере. В городских, горных условиях или внутри помещений препятствия в виде промежуточных препятствий и отражения от близлежащих поверхностей очень распространены и способствуют многолучевое искажение: то есть отраженные и задержанные повторы передаваемого сигнала объединяются в приемнике. Сигналы разных путей могут складываться конструктивно или деструктивно: такие изменения амплитуды известны как замирание . Зависимость мощности сигнала от положения передатчика и приемника становится сложной и часто немонотонной, что делает оценки местоположения для одного приемника неточными и ненадежными. Мультилатерация с использованием множества приемников часто сочетается с калибровочными измерениями («отпечатками пальцев») для повышения точности.

Измерения TOA и AOA также подвержены ошибкам из-за многолучевого распространения, особенно когда прямой путь от передатчика к приемнику заблокирован препятствием. Измерения времени прибытия также наиболее точны, когда сигнал имеет отчетливые зависящие от времени характеристики в интересующем масштабе — например, когда он состоит из коротких импульсов известной длительности — но теория преобразования Фурье показывает, что для изменения амплитуды или фазы в коротком временном масштабе сигнал должен использовать широкую полосу пропускания. Например, для создания импульса длительностью около 1 нс, которого примерно достаточно для определения местоположения с точностью до 0,3 м (1 фут), требуется полоса пропускания примерно 1 ГГц. Во многих регионах радиоспектра излучение в такой широкой полосе пропускания не разрешено соответствующими регулирующими органами во избежание помех другим узкополосным пользователям спектра. В США разрешена нелицензированная передача в нескольких диапазонах, например, 902–928 МГц и 2,4–2,483 ГГц. Промышленная, научная и медицинская связь. Диапазоны ISM , но передача высокой мощности не может выходить за пределы этих диапазонов. Однако в настоящее время в некоторых юрисдикциях разрешена сверхширокополосная передача в полосах частот в ГГц или несколько ГГц с ограничениями на передаваемую мощность, чтобы минимизировать помехи другим пользователям спектра. Импульсы СШП могут быть очень узкими по времени и часто обеспечивают точные оценки TOA в городских условиях или внутри помещений.

Радиолокация используется в самых разных отраслях промышленности и военной деятельности. Радиолокационные системы часто используют комбинацию TOA и AOA для определения положения объекта обратного рассеяния с использованием одного приемника. В доплеровском радаре скорость , также учитывается доплеровский сдвиг, определяющий а не местоположение (хотя это помогает определить будущее местоположение). Системы определения местоположения в реальном времени RTLS, использующие калиброванную RTLS, и TDOA, коммерчески доступны. Широко используемая система глобального позиционирования ( GPS ) основана на TOA сигналов со спутников в известных позициях.

Мобильные телефоны

Основная статья: Отслеживание мобильных телефонов

Радиолокация также используется в сотовой телефонии через базовые станции . Чаще всего это делается посредством трилатерации между радиовышками . Местоположение Абонента или трубки можно определить несколькими способами:

• угол прибытия ( AOA ) требует как минимум двух вышек, определяя местонахождение вызывающего абонента в точке пересечения линий по углам от каждой башни.
• разница во времени прибытия ( TDOA ) соотв. время прибытия ( TOA ) работает с использованием мультилатерации , за исключением того, что именно сети определяют разницу во времени и, следовательно, расстояние от каждой башни (как в случае с сейсмометрами )
• Сигнатура местоположения использует « снятие отпечатков пальцев » для хранения и вызова шаблонов (например, многолучевого распространения), которые, как известно, сигналы мобильного телефона проявляются в разных местах в каждой ячейке.

Первые два зависят от прямой видимости , что может быть затруднительно или невозможно в гористой местности или вокруг небоскребов . Однако подписи местоположения на самом деле работают лучше в таких условиях. Сети TDMA и GSM, такие как Cingular и T-Mobile, используют TDOA.

Сети CDMA , такие как Verizon Wireless и Sprint PCS, как правило, используют технологии радиолокации на базе мобильных телефонов, которые технически больше похожи на радионавигацию. GPS является одной из таких технологий.

Комбинированные решения, требующие как телефонной трубки, так и сети, включают в себя:

• GPS-навигатор ( беспроводной или ТВ ) позволяет использовать GPS даже в помещении.
• Усовершенствованная трилатерация прямого канала ( A-FLT )
• Отчет об измерении времени/сети ( TA/NMR )
• Расширенная наблюдаемая разница во времени ( E-OTD )

Первоначально цель любого из них в мобильных телефонах состоит в том, чтобы пункт ответа общественной безопасности (PSAP), который отвечает на звонки на номер телефона службы экстренной помощи, мог знать, где находится звонящий и куда именно направить службу экстренной помощи . Эта возможность известна в NANP ( Северная Америка ) как улучшенная беспроводная связь 911 . Пользователи мобильных телефонов могут иметь возможность разрешить отправку собранной информации о местоположении на другие телефонные номера или сети передачи данных , чтобы она могла помочь людям, которые просто заблудились или которым нужны другие услуги, основанные на местоположении . По умолчанию этот выбор обычно отключен в целях защиты конфиденциальности .

Международное регулирование

Удаленный радиолокационный пост 358 ( RRP 117 ВВС Германии )

Служба радиолокации (сокращенно: RLS ) – в соответствии со статьей 1.48 МСЭ ) ) Международного союза электросвязи ( Регламента радиосвязи (РР – определяется как « Служба радиоопределения для целей радиолокации», где радиолокация определяется как «служба радиоопределения, используемая для целей, отличных от целей радионавигации».

Классификация

Эта служба радиосвязи классифицируется в соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ (статья 1) следующим образом:
Служба радиоопределения (статья 1.40)

• Радиолокационная служба (статья 1.48)
  • Радиолокационная спутниковая служба (статья 1.49)

Радиолокационная служба в основном различает

• Радиолокационная подвижная станция сухопутная, аэромобильная, морская подвижная (статья 1.89)
• Наземная радиолокационная станция (статья 1.90)

Примеры

• 
  Наземная РЛС ( параболическая антенна )
• 
  Сухопутная РЛС ( РЛС управления огнем FuMG 39 «Вюрцбург» )
• 
  Наземная РЛС ( AN/FPQ-16 РЛС дальнего обнаружения )
• 
  Морской мобильный радар ( РЛС с активной фазированной решеткой на фрегате «Гамбург» )
• 
  Аэромобильный радар ( Boeing E-3 Sentry с вращающимся куполом радара )
• 
  Land-mobile radar ( TRML-3D Air Surveillance Radar )

Спутники

САР-Лупе (космическая радиостанция радиолокационной спутниковой службы)

Радиолокационная спутниковая служба (сокращенно: RLSS ) – в соответствии со статьей 1.49 МСЭ ) ) Международного союза электросвязи ( Регламента радиосвязи (РР – определяется как « Спутниковая служба радиоопределения, используемая для целей радиолокации. Эта служба (радиосвязи) может включать в себя также фидерные линии необходимые для ее работы ».

Радиолокационная спутниковая служба в основном различает

• Земные радиостанции
• Фидерные связи и
• Космические радиостанции

Например, в этой службе радиолокационной спутниковой службы работают военные радиолокационные датчики на спутниках Земли .

Примеры радиостанций радиолокационной спутниковой службы

• 
  "ОРС-2" РЛС космического базирования
• 
  Радиолокационный спутник "НРО Лакросс"
• 
  Радиолокационный спутник "РОСАР"

Список радиолокационных спутников (не полный)

Имя	Страна	Сенсорный
Лакросс	олень	военный спутник радиолокационной (визуальной) разведки
САР-Лупе	Германия	военный спутник радиолокационной (визуальной) разведки
ИГС	Япония	радиолокационная разведка и оптико-электронная разведка
РОРСАТ	Российская Федерация	Радиолокационная разведка океана SATellite

Распределение частот

Распределение радиочастот осуществляется согласно статье 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.).

В целях улучшения гармонизации использования спектра большинство распределений служб, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные таблицы распределения и использования частот, ответственность за которые лежит на соответствующей национальной администрации. Распределение может быть первичным, вторичным, исключительным и общим.

Пример распределения частот

Распределение по услугам
Регион 1	Регион 2	Регион 3
24,65–24,75 ГГц ЗАФИКСИРОВАННЫЙ ФИКСИРОВАННАЯ СПУТНИКОВАЯ (Земля-космос) МЕЖСПУТНИКОВЫЙ	24.65-24.75 МЕЖСПУТНИКОВЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ (Земля-космос)	24.65-24.75 ЗАФИКСИРОВАННЫЙ ФИКСИРОВАННАЯ СПУТНИКОВАЯ (Земля-космос) МЕЖСПУТНИКОВЫЙ МОБИЛЬНЫЙ

Станции

Наземная станция

RA Обнаружение радиосигналов ранжирование и ​ ​ ​
Принцип

– Наземная радиолокационная станция согласно статье 1.90 МСЭ ) ) Международного союза электросвязи ( Регламента радиосвязи (РР – определяется как « радиостанция радиолокационной службы, не предназначенная для использования во время движения». Каждая радиолокационная станция классифицируется по службе радиосвязи , в которой она работает постоянно или временно.

В соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ этого типа (статья 1) радиостанции можно классифицировать следующим образом:
Станция радиоопределения (статья 1.86) службы радиоопределения (статья 1.40)

• Радионавигационная подвижная станция (статья 1.87) радионавигационной службы (статья 1.42)
• Радионавигационная сухопутная станция (статья 1.88) радионавигационной службы
• Радиолокационная подвижная станция (статья 1.89) радиолокационной службы (статья 1.48)
• Наземная радиолокационная станция

Выбор наземных радиолокационных станций

• 
  Немецкий радар Вюрцбург Ризе (FuMG 65)
• 
  АЛЬТАИР (РЛС дальнего слежения и инструментирования ARPA)
• 
  Радар летного комплекса НАСА Уоллопс
• 
  Антенна радара L-диапазона TAR Финляндия
• 
  50-футовая тарелка антенны C-диапазона мощностью 3 кВт. радара
• 
  Разведывательная РЛС с фазированной решеткой FPS-108 COBRA DANE
• 
  РЛС с фазированной решеткой AN/FPQ-16 PARCS
• 
  Радар Skyguide, Hochwacht в Боппельсене на Лэгерне ​​(Швейцария)

Мобильная станция

Радиолокационная мобильная станция – в соответствии со статьей 1.89 МСЭ ) ) Международного союза электросвязи ( Регламента радиосвязи (РР – определяется как « Радиостанция радиолокационной службы, предназначенная для использования во время движения или во время остановок в неуказанных точках». Каждая радиолокационная станция классифицируется по службе радиосвязи , в которой она работает постоянно или временно.

В соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ этого типа (статья 1) радиостанции можно классифицировать следующим образом:
Станция радиоопределения (статья 1.86) службы радиоопределения (статья 1.40)

• Радионавигационная подвижная станция (статья 1.87) радионавигационной службы (статья 1.42)
• Радионавигационная сухопутная станция (статья 1.88) радионавигационной службы
• Радиолокационная мобильная станция

Выбор радиолокационных мобильных станций

• 
  Air Surveillance Radars TRML-3D
• 
  Радар с высоким видоискателем
• 
  РЛС RAAF, AN/TPS-77
• 
  Немецкий радарный датчик LÜR
• 
  МИМ-104 Патриот на вооружении Японии
• 
  Радары Nike Hercules IFC LOPAR и радары слежения (MTR, TTR, TRR) fltr
• 
  АФАР-радар Fregatte Hamburg (F 220)
• 
  Радар управления вооружением
• 
  радар морского базирования X-диапазона В разработке находится
• 
  Бортовая РЛС «Лихтенштейн СН-2» на ME Bf 110G

См. также

• Радиопеленгация
• Определение местоположения в реальном времени
• Обнаружение молнии

Дальнейшее чтение

• Сунь, Гуолинь; Чен, Цзе; Го, Вэй; Лю, KJR (июль 2005 г.). «Методы обработки сигналов при сетевом позиционировании: обзор современных разработок позиционирования» (PDF) . Журнал обработки сигналов IEEE . 22 (4): 12. Бибкод : 2005ISPM...22...12S . CiteSeerX   10.1.1.319.3989 . дои : 10.1109/MSP.2005.1458273 . S2CID   4093889 .
• Патвари, Н.; Эш, Дж. Н.; Киперунтас, С.; Герой, АО; Моисей, РЛ; Корреал, Н.С. (июль 2005 г.). «Расположение узлов: совместная локализация в беспроводных сенсорных сетях» (PDF) . Журнал обработки сигналов IEEE . 22 (4): 54. Бибкод : 2005ИСПМ...22...54П . дои : 10.1109/MSP.2005.1458287 . ISSN   1053-5888 . S2CID   3259841 .
• Хашеми, Х. (1993). «Закрытый канал распространения радио» . Труды IEEE . 81 (7): 943–968. дои : 10.1109/5.231342 .
• «Моделирование распространения сигналов в помещении и на открытом воздухе для систем беспроводной связи», М. Искандер, З. Юн и З. Чжан, Общество антенн и распространения IEEE, Международный симпозиум AP-S (сборник), т. 2, 2001 г., стр. 150–153.