Aparato y método para localizar la fuente de una señal desconocida.

Un método de localizar la fuente de una señal desconocida, caracterizado porque el método comprende las etapas de:

(i) calcular un desfase diferencial para una señal para cada una de una pluralidad de posiciones dentro de una región en la cual debe encontrarse el transmisor (10), para cada uno de una serie de tiempos m con respecto a los repetidores de señal primero y segundo (14/16) y con respecto a los receptores primero y segundo (18A/18B), siendo las posiciones de los repetidores de señal (14/16) y de los receptores (18A/18B) conocidas;

(ii) generar una función de ambigüedad cruzada (CAF - Cross-Ambiguity Function, en inglés) utilizando datos correspondientes a muestras de la señal desconocida recibida en los receptores primero y segundo (18A/18B) a través de los repetidores de señal primero y segundo (14/16) respectivamente;

(iii) estimar el nivel de ruido de la CAF; y

(iv) utilizar los datos generados en las etapas (i), (ii) y (iii) para obtener una medición de la probabilidad de que la fuente esté situada dentro de áreas definidas dentro de la citada región;

donde los desfases diferenciales son desfases de tiempo diferenciales (DTOs - Differential Time Offsets, en inglés) o desfases de frecuencia diferenciales (DFOs - Differential Frequency Offsets, en inglés), o ambos DTOs y DFOs; y

donde en el dominio de la frecuencia, los citados datos son convertidos a un formato de decibelios utilizando**Fórmula**

donde los valores interpolados de la superficie de ambigüedad vienen dados por**Fórmula**

dondeT0 y ν 0 son los DTO y DFO en el punto de índice 0,0 y -1≤p≤1, -1≤q≤1, donde los valores de p y de q que maximizan f vienen dados por**Fórmula**

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12159261.

Solicitante: Kratos Integral Holdings, LLC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 4820 Eastgate Mall, Suite 200 San Diego CA 92121 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: HAWORTH, DAVID, PATRICK.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Establecimiento de la posición mediante la coordinación... > G01S5/06 (La posición de la fuente se determina mediante la coordinación de una pluralidad de líneas de posición definidas mediante medidas relacionadas con la diferencia de caminos (G01S 5/12 tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS > COMUNICACIONES SECRETAS; PERTURBACION DE LAS COMUNICACIONES > H04K3/00 (Perturbación de las comunicaciones; Contramedidas)

PDF original: ES-2526444_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Aparato y método para localizar la fuente de una señal desconocida

La invención se refiere a un aparato y método para localizar la fuente de una señal desconocida.

Existe una necesidad cada vez mayor de localizar de manera precisa transmisores desconocidos que interfieren con los enlaces ascendentes hacia sistemas de comunicaciones de satélites geosíncronos. Teóricamente son posibles varias técnicas para localizar una transmisión mediante la detección directa de la transmisión de enlace ascendente, por ejemplo, utilizando una o más aeronaves. La técnica anterior ha evolucionado para hacer uso de las señales en el enlace descendente del satélite para estimar la ubicación de la interferencia.

Un trabajo anterior en los Estados Unidos (MIT LL first report, Hutchinson, W, K, Pelletier, R J. Siegal D A, RFI- Source Location, MIT LL TN 1979-29 (Rev. 1) 31 de Marzo de 2000) sobre sistemas de satélite que operan a frecuencias Ultra Altas (UHF - Ultra High Frequencies, en inglés) establecía que ubicaciones con una precisión útil podrían ser alcanzadas utilizando mediciones en el enlace descendente de un solo satélite, siempre que la frecuencia y/o la amplitud de la señal fuese estable sobre un periodo de tiempo extendido. No obstante, muchas situaciones de la vida real no satisfacían estos criterios.

El trabajo de Chestnut (Chestnut P C, Emitter Location using TDOA and Differential Doppler, IEEE Trans., AES-18, (2), 1982) establecía que podrían utilizarse combinaciones de Diferencia de Tiempo de Llegada (TDOA - Time Difference Of Arrival, en inglés) y de Diferencia de Frecuencia de Llegada (FDOA- Frequency Difference Of Arrival, en inglés) de señales recibidas en dos o más receptores aéreos para localizar geográficamente la fuente de una señal.

El trabajo de Stein (Stein S, Algorithms for Ambiguity Function Processing, IEEE Trans., ASSP-29, (3), 1981) establecía técnicas para el procesamiento de la correlación de pre-detección basadas en el cálculo de la Función de Ambigüedad Cruzada (CAF - Cross Ambiguity Function, en inglés) que permitía que se midiesen TDOA y FDOA. Esta técnica permitía que TDOA y FDOA fuesen medidas incluso aunque el nivel de la señal pudiese estar por debajo del nivel de ruido del satélite en uno o en los dos satélites. Stein describe el proceso de interpolación de picos, la ganancia del procesamiento y los errores en la medición de TDOA y FDOA. Se describen un procesamiento Grosero y Fino. El impacto de cambiar la geometría y de la subsiguiente modificación del planteamiento de la CAF se presentan a grandes rasgos. Un planteamiento a priori para la estimación del error de medición se presenta basándose en la medición de parámetros de señal en la entrada al proceso de correlación.

Un subsiguiente trabajo en los Estados Unidos (MIT LL second report, Kaufmann J E, Hutchinson W K, Emitter Location with LES-8/9 Using Differential Time-of-lnterval and Differential Doppler Shift, Technical Report 698 (Rev. 1) 31 de Marzo de 2000) demostraba la utilidad de los planteamientos de Chestnut y Stein utilizando parejas de satélites especialmente equipados que operan en UHF en longitudes bien separadas y en órbitas geosíncronas inclinadas. Esta particular configuración de órbitas era buena para adaptarse al tipo de señales encontradas, que eran típicamente señales de banda estrecha (de pocos kHz de amplitud) presentes en los canales del satélite de UHF. Además, la órbita inclinada de los satélites podría ser determinada con una precisión tal que la contribución de los errores de efemérides a la TDOA y especialmente a la FDOA fuese mínima.

La emergencia del Captain Midnight alertó a los operadores del satélite comercial del problema de interferencias con los canales de comunicación del satélite (Marcus M J, Satellite Security: legacy of Captain Midnight, Telecommun., Junio de 1987, pp61-66).

La Patente de US 5.008.679 describe un método y un sistema para localizar un transmisor desconocido. Esta patente describe la técnica de localizar un interferidor basándose en la medición de TDOA y FDOA en los enlaces descendentes de un satélite interferido y en un satélite adyacente. Esta técnica es particularmente aplicable a la operación de satélites en las bandas C y Ku donde satélites adyacentes operan con aproximadamente la misma frecuencia de traslación. La correlación cruzada de pre-detección utilizando un correlacionador de hardware se utiliza para detectar señales que son débiles en uno o en los dos canales del satélite. Adicionalmente la calibración de las desviaciones de frecuencia del transpondedor del satélite en tiempo real mediante la observación simultánea de los transmisores de una ubicación conocida mejoraba la precisión de la ubicación determinada. Los errores de medición son estimados determinando la varianza de múltiples mediciones, es decir, en un planteamiento a posteriori.

La Patente de US 5.594.452 describe otro método y sistema para localizar un transmisor desconocido pero utilizando fases de un oscilador calibrado. En este planteamiento una banda de frecuencias que contiene una señal de calibración de fase y una o más de una señal desconocida y de señales de calibración de posición son correlacionadas utilizando un correlacionador de hardware y una función de fase derivada basándose en la correlación cruzada aislada de la señal de calibración de fase. La función de fase es aplicada a las señales desconocidas y posiblemente a otras de calibración de posición. La aplicación de la función de calibración de fase ajusta las correlaciones en las señales desconocidas y de calibración de posición y permite una determinación más precisa de FDOA, lo que resulta en ubicaciones más precisas.

La Patente de US 6.018.312 describe técnicas para solucionar las limitaciones en la patente de US 5 008 679 y la patente de US 5 594 452 para proporcionar una ubicación del transmisor calibrada en fase y posición. Se describen la separación coherente de los canales de objetivo y de referencia antes de la correlación así como los beneficios en la reducción del error de efemérides en el uso de señales de referencia de ubicación conocidas. No obstante, el método de ubicación geográfica iterativo descrito en la patente de US 6 018 312 no es ¡ncondicionalmente convergente para ciertas geometrías. Para estas geometrías, el conjunto de puntos que posiblemente satisfacen las observaciones cubren una región extendida. El proceso de iteración previamente descrito puede fallar en converger hacia una solución viable en estas circunstancias.

Griffin C et al: Interferometric radio-frequency emitter location IEE PROCEEDINGS: RADAR, SONAR & NAVIGATION, INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, GB. Vol. 149, n° 3, 3 de Junio de 2002 (2002-06-03), páginas 153-160, XP006018390 ISSN: 1350-2395, describe un método de acuerdo con la porción pre- caracterizadora de la Reivindicación 1.

El documento US 2002/0070889 A1 describe un método de localizar la fuente de una señal desconocida recibida por una pluralidad de repetidores de satélites que comprende recibir réplicas de las señales desde los repetidores de los receptores.

SHIN D C ET AL.: Complex ambiguity functions using non-stationary higher order cumulant estimates. IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING USA, vol. 43, no. 11, Noviembre 2005 (2005-11), páginas 2649 - 2664, XP007904347, describe funciones de ambigüedad complejas que utilizan estimaciones de acumulador de orden superior no estacionario.

Un objeto de la invención es proporcionar un método mejorado para localizar la fuente de una señal desconocida. De acuerdo con un primer aspecto de la invención, este objeto se alcanza mediante un método de localizar la fuente de una señal desconocida,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método de localizar la fuente de una señal desconocida, caracterizado porque el método comprende las etapas de:

(i) calcular un desfase diferencial para una señal para cada una de una pluralidad de posiciones dentro de una región en la cual debe encontrarse el transmisor (10), para cada uno de una serie de tiempos m con respecto a los repetidores de señal primero y segundo (14/16) y con respecto a los receptores primero y segundo (18A/18B), siendo las posiciones de los repetidores de señal (14/16) y de los receptores (18A/18B) conocidas;

(ii) generar una función de ambigüedad cruzada (CAF - Cross-Ambiguity Function, en inglés) utilizando datos correspondientes a muestras de la señal desconocida recibida en los receptores primero y segundo (18A/18B) a través de los repetidores de señal primero y segundo (14/16) respectivamente;

(iii) estimar el nivel de ruido de la CAF; y

(iv) utilizar los datos generados en las etapas (i), (ii) y (iii) para obtener una medición de la probabilidad de que la fuente esté situada dentro de áreas definidas dentro de la citada región;

donde los desfases diferenciales son desfases de tiempo diferenciales (DTOs - Differential Time Offsets, en inglés) o desfases de frecuencia diferenciales (DFOs - Differential Frequency Offsets, en inglés), o ambos DTOs y DFOs; y donde en el dominio de la frecuencia, los citados datos son convertidos a un formato de decibelios

=101og[4(r,v)!+4(r,v)!]

utilizando donde los valores interpolados de la superficie de

ambigüedad vienen dados por

/

\+P~r>v<¡+9~r = 0 A-i+

,ápzmftí+3tf^fv+rqfu

donde To y vo son los DTO y DFO en el punto de índice 0,0 y -1 <p<1, -1 <q<1, donde los valores de p y de q que maximizan f vienen dados por

p=

KSn _JhSn

q_ kgn-kSii SwSn Si2>2i,

SuSn SnSn ;

Sm ~ fi.o ^/a,o f Sa ~fu,i ^ Aq,-i ' Siz ~ Su ~ foja f\t\ f\fo

donde

donde son puntos de muestreo de la superficie de

2 ' 2

ambigüedad en dB,

Donde un ancho de banda Bu, duración Tu y factor de acoplamiento cruzado Fu, se utilizan para determinar los

n --i j T J -1*- \ Sn_ f

u Ati BM6 * 8*686 * 8.686A

errores en los desfases diferenciales, ^ i j.686A/A/'í donde lT es un

factor de interpolación en el dominio del retardo, lv es un factor de interpolación en el dominio de la frecuencia,

donde At es 1/fs y fs es la velocidad de muestreo, donde Af es 1/T y T es la duración de muestreo total; y donde

y donde SNR es la relación de señal a ruido de post-correlación; comprendiendo además el método las etapas de:

(v) para cada uno de una serie de tiempos m, muestrear la señal desconocida en los receptores primero y segundo por medio de los respetidores de señal primero y segundo, respectivamente;

(vi) generar una serie correspondiente de m superficies de CAF;

(vil) para una latitud a y una longitud p dadas, calcular los desfases de tiempo y frecuencia diferenciales DTOm y DFOm, en cada tiempo m, encontrando el valor de la superficie de CAF asociada CAFm en cada tiempo m, y los correspondientes valores SNRm de la relación de señal a ruido; y

X2M) = ~^SNRmCAFm.

(vlii) evaluar el valor de chi al cuadrado »

2. El método de la reivindicación 1, que comprende también las etapas de:

(i) aplicar un factor de ponderación de un nivel lineal bajo a puntos fuera de la ventana que rodea al pico de

una superficie de CAF generada a partir de las muestras de la señal que se origina en una posición dada, para generar una función CAF modificada;

(¡I) aplicar una FFT al dominio de la frecuencia y una FFT al dominio del tiempo de la función CAF modificada y

una función generada a partir de muestras de la señal desconocida para generar las superficies 4f(/>0 , respectivamente;

(iil) generar la función producto Ar *(/»í)4í/(/,í).

(iv) aplicar a la función PÍfj) una FFT Inversa para el dominio del tiempo y una FFT para el dominio de la frecuencia con el fin de generar una CAF normalizada; y

(v) utilizar la CAF normalizada para encontrar una diferencia de llegada de tiempo y de frecuencia para la señal desconocida y los errores de medición asociados con ella.

3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el procesamiento de la CAF Incluye las etapas de:

(I) Introducir un retardo variable en los desfases de tiempo utilizados para calcular una función CAF; y

(¡I) estimar una fase total para las respectivas rutas de la señal a través de los repetidores de señal primero y segundo en tiempos de bloque específicos sobre la base de la posición dada.