جهت یابی امواج رادیویی

• جهت‌یابی[1]

هدف از جهت‌یابی(DF)  تعیین خط هر نوع منبع الکترومغناطیسی با استفاده از خواص انتشار امواج رادیویی است. زاویه‌ی دریافت سیگنال توسط الگوریتم‌های مختلفی از روی سیگنال دریافتی توسط آنتن‌ها تعیین می‌شود. این الگوریتم­ها از سنجش دامنه، سنجش فاز و یا هر دو استفاده می­کنند. این اندازه­گیری برای مکان­یابی فرستنده غیرمجاز، شناسایی فرستنده­های شناخته‌شده و ناشناخته، تعیین محل منبع تداخل مضر کاربرد دارد.  DF یک حس‌گر تعیین جهت ورود یا زاویه یک موج الکترومغناطیسی با توجه به جهت مرجع است. همه سیستم­های DF شامل یک آرایه آنتن، یک مجموعه دریافت‌کننده و یک پردازنده هستند‏[1]

انتخاب یک سیستم جهت‌یاب همیشه حساس است بنابراین با در نظر گرفتن پارامترها و ویژگی­های سیستمی آن باید انتخاب شود. مهم­ترین ویژگی سیستم DF شامل دقت، حساسیت، ایمنی در برابر امواج تخریب‌کننده، عدم حساسیت نسبت به دپلاریزاسیون، اثر تداخل هم کانال، مقاومت نسبت به حساسیت‌زدایی گیرنده و حداقل زمان دوره سیگنال است.

خطای سیستم دو جز دارد خطای Az که به جهت انتشار سیگنال، مکان و توپوگرافی اطراف وابسته است و خطای فرکانس که همان خطای DF است که تابعی از فرکانس است. بررسی دقت سیستم DF به محیط آزمون نیز وابسته است. اندازه­گیری دقت DF با سه روش انجام می­شود: در یک محیط واقعی که سیگنال­ها با مدولاسیون­های مختلفی و سیگنال‌ها با کمترین نسبت سیگنال به نویز وجود دارد اندازه­گیری انجام می­شود و یا در یک مکان فضای باز[2](OATS) که نسبت سیگنال به نویز کافی (بیش از 20dB)، بدون انعکاس از موانع نزدیک، با نویز محدود دقت DF اندازه­گیری می­شود و یا  هم­چنین روی یک سکو به‌طوری‌که ایستگاه DF بدون اینکه آنتن آن به سیمولاتور و ژنراتور متصل باشد‏[1]

دو روش کالیبراسیون DF وجود دارد کالیبراسیون ساختار فیزیکی DF به‌منظور کاهش اثر تداخل تیرک و یا رزونانس بین آنتن­ها و یا تداخل وسایل نقلیه انجام می­شود. این کالیبراسیون به‌طور عمده در کارخانه برای  VHF/UHF DF انجام می­شود این کار بخصوص درزمانی که آنتن بروی سقف وسیله نقلیه نصب می­شود اهمیت دارد، درهرحال ساخت دقیق آنتن­های DF روی یک دکل بدون رزونانس دکل در محدوده فرکانسی آنتن DF  و بدون موانع در اطراف آنتن هزینه را کاهش و انعطاف‌پذیری را افزایش می­دهد. کالیبراسیون دوره­ای به‌منظور تصحیح انحرافات زمانی و دمایی برای کانال­های دریافت DF و پارامترهای آنتن لازم است‏[1]

حساسیت DF  مهم­ترین ویژگی آن به‌خصوص در مورد پایش رادیویی است. حساسیت از دو نظر اول برای گسترش پوشش DF تحت شرایط خوب دریافت سیگنال و دوم جهت‌یابی به اندازه کافی قابل‌اعتماد در شرایط نامطلوب اهمیت دارد. به‌طورکلی حساسیت یک DF با مدت‌زمان مشاهده برای اندازه­گیری ارتباط دارد. تغییرات حساسیت نسبت معکوس با  ( D قطر آنتن DF است و  طول‌موج سیگنال دریافتی است) ، نسبت سیگنال به نویز، پهنای باند انتخاب‌شده و زمان انتگرال­گیری دارد.

در برخی محیط­ها (فضاهای شهری و مکان­های کوهستانی) اثرات انتشار شدیدی (به علت موانع، اثرات سایه، محوشدگی انتخابی و یکنواخت )  مشاهده می­شود. پدیده چندمسیرگی به علت وجود سیگنال­های چندتایی که از یک منبع و با زوایای مختلف آنتن و در زمان­های مختلف در گیرنده آنتن دریافت می­شود ایجاد می­شود. اثرات مسیرهای چندتایی برای تعیین زاویه ورود سیگنال (AOA) [3] متغیر است: معمولاً، مسیرهای چندتایی بلند(مانند مسیرهای انعکاسی) در تعیین AOA بایاس ایجاد می­کند. زمانی که انعکاس­ها نزدیک به جهت­یاب باشد موقعیت­های مختلفی ایجاد می­شود. اگر یک انعکاس چندمسیره نزدیک به یک ساختمان یا وسیله نقلیه قوی­تر از مسیره مستقیم باشد نتایج DF اشتباه خواهد بود. اگر سیگنال انعکاسی از ساختمان­های نزدیک یا وسایل نقلیه به اندازه سیگنال مستقیم قوی نباشد نتایج DF ممکن است بایاس شود. در موقعیت­های که منابع چندتایی وجود دارد (یعنی برای مثال دو فرستنده در موقعیت­های مختلف با فرکانس یکسان ) AOA با تلفیق روش­های دیگر به کار گرفته می­شود.

دپلاریزاسیون یک شیفت پلاریزاسیون بین آنتن DF و موج تابشی است. پاسخ پلاریزاسیون یک جهت‌یاب، شدیداً به سیستم آنتن مورداستفاده و درنتیجه روش DF وابسته است. در این مورد همه فرستنده­های روی وسایل نقلیه از پلاریزاسیون عمودی استفاده می­کنند به دلایل عملی و انتشاری آنتن VHF/UHF DF اغلب از دوقطبی عمودی  تشکیل‌شده‌اند. درنتیجه اجزا افقی میدان دریافتی کوچک هستند

برحسب اصول عملیاتی یک جهت­یاب، سیگنال باید برای یک زمان حداقل مشخصی دریافت شود. دوره سیگنال کمتر از 1ms با گیرنده­های پهن باند و باند باریک قابل‌دستیابی است. این عملکرد اصولاً به روش DF  و قابلیت پردازش سیگنال تجهیزات وابسته است.

انتخاب یک سیستم DF برای یک کاربرد خاص به‌طور معمول با تلفیق ویژگی­های آنتن، گیرنده و طراحی پردازشگر در یک آرایش مطلوب باید صورت گیرد. روش­های جهت­یاب به سه دسته تقسیم می­شود:، سیستم­های حساس به دامنه، سیستم­های حساس به فاز و سیستم­هایی که هم به فاز و هم به دامنه حساس‌اند. بسیاری از DF های مدرن تلفیقی از روش­های حساس به فاز و دامنه را به کار می­گیرند. روش­های مدرن DF عبارت است از چرخش آنتن، داپلر و شبه داپلر،  واتسون – وات، تداخل‌سنج فاز، تداخل‌سنج به هم وابسته و تفکیک‌پذیری پیشرفته‏[1]

• روش چرخش آنتن

یک راه بسیار ساده شناسایی زاویه ورود یک سیگنال استفاده از چرخش آنتن است. یک حلقه آنتن  می­تواند به‌طور دستی بچرخد تا null آنتن در جهت دریافت قرار گیرد. برای بهبود نتایج، بهتر است از یک سیستم آنتن متشکل از دو آنتن مجزا که سیگنال­های جمع یا تفاضل را تولید می­کنند استفاده شود. نتایج تفاضل حداقل تیزی را در زمان قرارگیری آنتن در جهت فرستنده دارد و سیگنال مجموع نیز دارای حساسیت بالا اما جهت­گیری بسیار پایینی است.(مانند ‏شکل 1-1 )

• الگوی آنتن مجموع(a) ، تفاضل (b) و نمایش تفاضل روی نقشه (c)
• در روش چرخش آنتن سیگنال در null الگوی آنتن قرار می­گیرد

این روش جهت­یابی می­تواند برای همه فرستنده­ها استفاده شود. هم­چنین برای سیستم­های رادیویی بیش از یک فرستنده با فرکانس یکسان مانند DVB-T ، TETRA  و GSM توصیه می­شود. سرعت چرخش آنتن می­تواند تا 200 r.p.m نیز افزایش یابد. مزیت دیگر این روش استفاده برای هر دو نوع سیگنال پلاریزه­ی افقی و عمودی است. محدودیت فرکانس پایین ابعاد مکانیکی آنتن را تعیین می­کند و معمولاً کمتر از 80MHz نیست. فرکانس بالا معمولاً به‌وسیله ویژگی­های کوپلر گردان بین دکل و آنتن محدود می­شود تا حدی که این نوع آنتن­ها برای فرکانس­ تا 40GHz  به کار می­روند‏[1]

• محدوده فرکانسی و سرعت چرخش آنتن در روش DF با چرخش آنتن

محدوده فرکانسی	پلاریزاسیون	کوپلینگ آنتن	سرعت چرخش
80-1000 MHz	افقی، عمودی	مجموع، تفاضل	60 r.p.m
80- 1300MHz	عمودی	مجموع، تفاضل	1 r.p.m
500MHz-40GHz	45°	مجموع، تفاضل	≤ 200 r.p.m

• روش داپلر و شبه داپلر

این روش در دهه 1950 با مطالعه روی شیفت داپلر ایجادشده به علت حرکت آنتن در جهت سیگنال دریافتی توسعه یافت. اساس این روش به این صورت است که مطابق ‏شکل 1-3 با چرخش، آنتن به فرستنده دور و نزدیک می­شود. در موقعیت A و C  آنتن نسبت به فرستنده ثابت است پس کمترین شیفت داپلر را دارد و در موقعیت B و D شیفت داپلر حداکثر مقدار خود را خواهد  داشت. نرخ چرخش مکانیکی بر اساس داپلر مستقیم برای فرکانس­های زیر باند UHF غیرعملی است بنابراین روش سوییچینگ الکترونیکی برای شبیه‌سازی چرخش آنتن با یک آرایه دایروی ثابت توسعه یافت. که این روش شبه داپلر نامیده می­شود. سیگنال آنتن با نرخ چرخش مدوله فرکانسی می­شود که پس از دمدولاسیون FM نرخ چرخش آشکار می­شود. آفست فاز فرکانس چرخش آشکارشده با فرکانس اصلی جهت ورود سیگنال را مشخص می­کند( ‏شکل 1-4 ) برای داشتن نتایج بدون ابهام DF فاصله بین المان­های آنتن باید کمتر از نصف شکل موج باشد که در عمل یک سوم طول‌موج در نظر گرفته می­شود. سیستم DF با فنّاوری داپلر یا شبه داپلر، حساسیت خوبی همراه با ایمنی در برابر انتشار چندمسیره در مقایسه با روش واتسون- وات دارد‏[1]

• DF با روش داپلر
• DF با روش شبه داپلر

• روش واتسون-وات:

در این سیستم آنتن­های آرایه­ای Adcock استفاده می­شود که از جفت آنتن­های تک قطبی یا دوقطبی تلفیق‌شده با یک مدار هیبرید 180 درجه تشکیل‌شده است تا الگوی 8 شکلی در آنتن دیده شود. دو جفت Adcock روی خطوط عمود برهم چیده می­شوند تا پاسخ به جهت ورود سیگنال که با سینوس جهت ورود به یک آنتن و کسینوس جهت ورود به آنتن دوم تغییر می­کند نمایش داده شود. روش DF واتسون-وات سه گیرنده تطبیقی فاز به کار می­گیرد دو گیرنده برای تعیین زاویه ورود با توابع سینوسی و کسینوسی و یک گیرنده برای آنتن همه جهته جهت حل مشکل ابهام تعبیه‌شده است. در مدل­های جدید از روش­های مبتنی بر DSP استفاده می­شود.

• DF با روش واتسون-وات
• DF پیشرفته با روش واتسون- وات

دقت این روش بدون در نظر گرفتن اثرات مکانی 1° to 2° r.m.s. است.

• تداخل‌سنج فاز

 این روش بر مبنای اندازه­گیری اختلاف فاز بین حداقل دو آنتن مجزا از هم عمل می­کند. مهم­ترین المان در این روش آشکارساز فاز است که تأخیر فاز بین دو سیگنال دریافتی از دو آنتن را تخمین می­زند و زاویه ورود سیگنال مشخص می­شود. ترکیب مثلثی از سه آنتن برای جهت­یابی زیر 30MHz و برای فرکانس­های بالا آرایه­های دایره­ای به کار گرفته می­شود‏[1]

• DF با روش تداخل سنجی فاز

• تداخل‌سنج همبستگی

این روش از اطلاعات فاز و دامنه استفاده می­کند و با همبستگی بین اطلاعات فاز و دامنه سیگنال­ دریافتی با پایگاه داده زاویه ورود سیگنال را تعیین می­کند. پایگاه داده مربوط به سیگنال با زاویه ورود شناخته‌شده است. با محاسبه ضرایب همبستگی دو مجموعه داده زاویه محاسبه می­شود. اگر مقادیر AZ  مختلف با مقادیر اطلاعات پایگاه داده مقایسه شود زاویه ورود سیگنال از ضرایب همبستگی که بیشترین مقدار را دارند به دست می­آید. ‏شکل 1-9 یک مثال از آنتن­های 5تایی را نشان می­دهد. هر ستون از ماتریس متناسب با یک زاویه  است و بردار مرجع را می­سازد. با مقایسه همبستگی مقادیر اندازه­گیری با بردارهای مرجع و تعیین حداکثر مقدار همبستگی زاویه ورود سیگنال تعیین می­شود‏[1]

• تعیین پایگاه داده در روش تداخل سنج همبستگی
• اساس روش تداخل‌سنج همبستگی

• روش­های پیشرفته

 این روش­ها قدرت تفکیک‌پذیری بالایی دارند و برای جداسازی سیگنال­های ارسالی در یک فرکانس ( چندین منبع و یا چندمسیرگی) مورداستفاده قرار می­گیرند. در برخی روش­ها با استفاده از مجموعه­ای از آرایه­ها و جست­وجوی حداکثر توان، جهت­یابی انجام می­شود. روش­ها بر مبنای زیرفضا مانند الگوریتم MUSIC نیز با حذف نویز و سیگنال­های تداخلی عمل می­کند‏[1]. عبارت طبقه‌بندی چندین سیگنال (MUSIC) جهت توصیف پارامترهای شکل موج­های رسیده به آرایه آنتن با استفاده از اندازه­گیری­های انجام‌شده روی سیگنال­های دریافتی مورداستفاده قرار می­گیرد. در این روش با استفاده از مفهوم بردارهای فضایی مختلط و ابزار جبری ماتریس، جهت سیگنال برخوردی به آرایه تعیین می­شود. در این روش ماتریس کواریانس حسگرها با مکان­های دلخواه و خصوصیات جهتی( بهره، فاز و پلاریزاسیون) در محیط نویزی یا تداخلی تشکیل می­شود و با تعریف حد آستانه­ای جهت جداسازی زیرفضای سیگنال و نویز و سپس رسم تابع  MUSIC برحسب زاویه و جداسازی قله­های آن، زوایای موردنظر تخمین زده می­شود. ‏شکل 1-10 نتیجه اعمال این روش برای تعیین جهت ورود سیگنال نشان می­دهد.

• نتیجه روش MUSIC برای جهت­یابی 5 سیگنال مختلف با فرکانس یکسان با زاویه ورود 10°، 20°، 40° و 220°

‏جدول 1-2روش­های ارائه‌شده برای DF را مقایسه می­کند‏[1]

• مقایسه روش­های DF

دقت یا زاویه جداسازی	حساسیت	ایمنی در برابر چندمسیرگی	حداقل طول عمر سیگنال	توضیح
چرخش آنتن
2° to 5° r.m.s. وابسته به سیستم آنتن مورداستفاده	بالا	خوب	وابسته به سرعت چرخش، حداکثر 1دقیقه	پیاده‌سازی ساده جداسازی خوب از سیگنال­ها با چندین منبع
روش واتسون-وات
1° to 2° r.m.s.	متوسط رو به بالا	محدود	1ms	پیاده‌سازی ساده
روش تداخل سنجی فازی
1° r.m.s.	بالا	متوسط	10 ms	پیاده‌سازی ساده
روش تداخل سنجی همبستگی
1° r.m.s.	بالا	متوسط	10 ms VHF/UHF :1m	پیاده­سازی نسبتاً پیچیده
روش فیلتر تطبیقی فضایی
2° برای منابع ناهمبسته	بالا	برای سیگنال­های همبسته ندارد	HF :100m VHF/UH:10ms	پیاده­سازی نسبتاً پیچیده
روش MUSIC
کمتر از 1°	بالا	برای سیگنال­های همبسته ندارد	HF :100m VHF/UH:10ms	پیاده­سازی نسبتاً پیچیده

دقت جهت­یابی DF در باند فرکانسی زیر 30MHz به 4 دسته تقسیم می­شود

دسته 1: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 2°  می­شود

کلاس2: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 5°  می­شود

کلاس3: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 10°  می­شود

کلاس4: خطای بزرگ‌تر از کلاس 3 می­شود‏[2]

DF در باند فرکانسی پایین‌تر از 30MHz بسیار حساس به خطای انعکاس از یونسفر هستند. یونسفر یک کانال ناهمگن است که به‌صورت پیوسته در حال تغییر است. دریافت یک یا چندین انعکاس از یونسفر باعث دپلاریزاسیون می­شود در مورد تک سیگنال انعکاسی، دقت زاویه به زاویه شیب سطح انعکاس وابسته است به همین دلیل خطای زاویه با ارتفاع، تعداد انعکاس­ها و کاهش فاصله فرستنده افزایش می­یابد.

دقت جهت­یابی DF در باند فرکانسی بالای30MHz به 4 دسته تقسیم می­شود. خطای DF در این باند فرکانسی به علت تجهیزات یا روش­های به کار گرفته در DF، مکان DF و انتشار اتفاق می­افتد

دسته 1: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 1°  می­شود

کلاس2: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 2°  می­شود

کلاس3: با احتمال کمتر از 5% خطا بیش از 5°  می­شود

کلاس4: خطای بزرگ‌تر از کلاس 3 می­شود

در بسیاری از موارد زاویه ورود سیگنال برای شناسایی و مکان­یابی دقیق فرستنده کافی نیست درنتیجه برای شناسایی مکان فرستنده از روش­های زیر استفاده می­شود‏[1]

• روش سنتی تلفیق دو یا چند DF

در این روش به حداقل 2 و ترجیحاً 3 نتیجه اندازه­گیری زاویه سیگنال نیاز است. تقاطع این اندازه­گیری­ها مکان فرستنده را تعیین می­کند. به علت خطای DF نقطه مشترک سه اندازه­گیری به‌صورت بیضی خواهد بود که مکان احتمالی فرستنده را نشان می­دهد. دقت DF و زوایای عمود برهم منطقه دقیق­تری را تعیین می­کند‏[1]

• مکان­یابی به روش DF مثلثی

برای دست­یابی به کیفیت مناسب در مکان­یابی لازم است هر مرحله از مکان­یابی تحلیل شود تا مکان دقیق در انتهای مراحل تعیین شود. در یک ایستگاه پایش دارای DF ، تحلیل دستی شامل بررسی ارتباط مکانی بین سیگنال شنیده‌شده و سیگنال پایش شده، دسته‌بندی زوایا در حضور یک سیگنال یا چند سیگنال در یک فرکانس(تداخل)، حذف زوایای نابجای قبلی، محاسبه میانگین زوایا و محاسبه واریانس زوایا است. در مکان­یابی دستی دقت مکان ­یا به مهارت اپراتور به‌شدت وابسته است اما در روش­های خودکار پردازش اطلاعات در دقت مکان­یابی نقش دارد.  هم­چنین فرکانس نیز در دقت مکان­یابی تأثیرگذار است. برای فرکانس­های زیر 30MHz امواج به‌وسیله تک انعکاس یا چند انعکاس بازتابی از یونسفر منتشر می­شوند و سیگنال دریافتی توسط DF ترکیبی از سیگنال­های چندمسیره بین فرستنده و  DF است. در مورد اندازه­گیری در این محدوده فرکانسی نسبت سیگنال به نویز پایین است از دیگر ویژگی­های این محدوده فرکانسی که محاسبه مکان را مشکل می­کند می­توان تجمع طیفی(تداخل مکرر) و مناطق جغرافیایی را نام برد. بنابراین برای مکان­یابی دقیق یک اندازه­گیری کافی نیست و نیاز به اندازه­گیری­های مستقل است. در مورد مکان­یابی فرکانس­های بالای 30MHz بخصوص باند UHF  و VHF انتشار امواج اصولاً به‌صورت دیدمستقیم است و درنتیجه DF باید در اطراف مناطق مورد پایش نصب شود. اگرچه ممکن است نسبت سیگنال به نویز ضعیف باشد اما معمولاً سیگنال در یک‌جهت ثابت دریافت می­شود. درهرحال اندازه­گیری به خاطر حضور تداخل و انعکاس­ها بخصوص در مناطق شهری سخت و دشوار است. اندازه­گیری در 10ms و یا کمتر انجام می­شود. در مورد DFهای پیشرفته علاوه بر اندازه­گیری زاویه، برخی پارامترها مانند فرکانس مرکزی، نرخ مدولاسیون و پهنای باند نیز اندازه­گیری می­شوند. ‏شکل 1-12 مراحل محاسبه مکان را نشان می­دهد. در مرحله اول زوایای اندازه­گیری شده در ایستگاه­های پایش و DF دسته‌بندی می­شود. اگر لینک ارتباطی بین ایستگاه­ها پرسرعت باشد زاویه اندازه­گیری شده در یک ایستگاه به‌صورت همزمان می­تواند با توجه به دیگر ایستگاه­ها تحلیل شود و ممکن است برخی نتایج حذف شود. اما در مورد لینک سرعت پایین ممکن است نتایج اندازه­گیری­ها میانگین‌گیری شود. این روش برای مکان­یابی در محدوده VHF/UHF مناسب است. مرحله دوم حذف زوایایی است که تحت پوشش نیستند یعنی با توجه به دیگر نتایج به‌دست‌آمده، از محدوده مورد انتظار بسیار دور است. در مرحله سوم با استفاده از نتایج قابل‌قبول و تقاطع نقاط به‌دست‌آمده مکان ارزیابی می­شود یعنی بهترین مکان با توجه به اعمال روش حداقل مربع خطای[4] محاسبه و در مرحله آخر بیضی عدم قطعیت در اطراف مکان بهینه تعیین می­گردد‏[1]

• مراحل محاسبه مکان

• روش تفاوت زمانی دریافت سیگنال (TDOA)[5]

در این روش با استفاده از زمان دریافت یک سیگنال در چندین گیرنده مکان فرستنده تعیین می­شود. سیستم­های TDOA در انتخاب آنتن و مکان قرارگیری انعطاف‌پذیرند طوری که دقت TDOA با انعکاس­های نزدیک، سایز آنتن­ها و کابل­ها و محدوده فرکانسی کمترین تأثیر را دارد. اغلب این روش­ها برای سیگنال­ها با پهنای­باند باریک نسبت به سیگنال پهن باند، دقت کمتری دارند زیرا سیگنال­های پهن باند دوره زمانی کوتاه‌تری دارند. این روش برای سیگنال­های مدوله‌شده به کار گرفته می­شود و در مورد سیگنال­های مدوله نشده، پیوسته استفاده نمی­شود. این روش مبتنی بر این اصل است که فاصله بین منابع سیگنال باعث دریافت سیگنال در دو زمان می­شود. فاصله بین منابع سیگنال حاصل‌ضرب اختلاف زمانی و سرعت سیگنال­ها است. TDOA به‌طور تقریبی 3.3ns برای هر متر فاصله بین دو مسیر سیگنال تغییر می­کند. در دو بعد معادله فاصله مکانی   یک خط هذلولی را توصیف می­کند. در ‏شکل 1-13 خطوط هذلولی برای 5 مقدار مختلف از  رسم شده است. منبع سیگنال روی یکی از این خطوط قرار دارد‏[1]

• تفاوت زمانی بر اساس تفاوت مکانی

سیستم­های TDOA به حداقل سه گیرنده برای مکان­یابی منبع سیگنال در دو بعد نیاز است. محل برخورد سه خط هذلولی مکان­ فرستنده را نشان می­دهد. دو روش اساسی برای محاسبه تفاوت زمانی دریافت سیگنال در گیرنده­ها وجود دارد. در روش اول هر گیرنده زمان دریافت سیگنال TOA[6] را برای محاسبه TDOA گزارش می­دهد. در محاسبه TOA نیاز به نسبت سیگنال به نویز بالا، نسبت سیگنال به تداخل بالا و اعوجاج محدود چندمسیره در همه گیرنده­ها است. دقت روش با داشتن اطلاعات از سیگنال­های مدوله دیجیتالی افزایش می­یابد. برخی اطلاعات جهت شناسایی سیگنال می­تواند مفید باشد برای مثال دنباله آموزشی[7] در پروتکل TDMA، کدهای همزمان­سازی[8] و یا کدهای راهنما[9] در مورد پروتکل CDMA، کدهای راهنما در شکل موج­های OFDM  و…. که در محاسبه TDOA به کار گرفته می­شود. در روش دوم سیگنال را دیجیتالی کرده و نمونه­های زمانی سیگنال برای تخمین مکان فرستنده استفاده می­شود اما معمولاً نیاز به 100 یا حتی 1000نمونه از هر گیرنده برای محاسبه موقعیت است. اما این روش در شرایط نسبت سیگنال به نویز پایین و بدون نیاز به داشتن اطلاعات از سیگنال نیز عمل می­کند. در اکثر ایستگاه­های پایش این روش استفاده می­شود. گاهی برای محاسبه TDOA از همبستگی متقاطع بین سیگنال­های دریافتی استفاده می­شود که قله در تابع همبستگی متقاطع تفاوت زمانی دو سیگنال را نشان می­دهد.  تابع همبستگی اشتراک دو سیگنال را به‌صورت تابعی از زمان نشان می­دهد. وقتی یک سیگنال در یک بازه زمانی یکسان در دو گیرنده دریافت می­شود موقعیت قله در تابع همبستگی متقاطع، تفاوت زمانی را برای جفت گیرنده­ها نشان می­دهد. ‏شکل 1-14 تصویر همبستگی متقاطع از اندازه­گیری در سیستم سه گیرنده­ای را نشان می­دهد. به‌طور ایده­آل هر تصویر شامل یک تک پالس است که موقعیت آن به سمت راست یا چپ برحسب اختلاف زمانی جابه­جا می­شود اما در واقعیت چندین پالس ایجاد می­شود که نشان‌دهنده اثر چندمسیرگی است علاوه بر  اعوجاج چندمسیرگی ، نسبت سیگنال به نویز پایین نیز نتایج را از حالت ایده­آل دور می­کند. دامنه قله تابع همبستگی متقاطع به توان سیگنال دریافتی وابسته است. سطح نویز همبستگی متقاطع، به نویز هر گیرنده و طول بازه­ای که تابع همبستگی متقاطع محاسبه می­شود وابسته است. هم­چنین حرکت نسبی منبع سیگنال و سیستم TDOA شیفت داپلر ایجاد می­کند که سیستم TDOA مبتنی بر همبستگی متقاطع باید شیفت فرکانس نسبی بین گیرنده­ها را برای محاسبه درست تفاوت زمانی تصحیح کند‏[1]

• همبستگی متقاطع تحت تأثیر نویز و اعوجاج

 عوامل مؤثر در دقت روش TDOA شامل موارد زیر است:

• هندسه قرارگیری گیرنده­ها: موقعیت گیرنده­ها و منبع سیگنال بر دقت مکان­یابی TDOA اثرگذار است. ‏شکل 1-15 مکانیسم خطا را نشان می­دهد در این شکل خطوط هذلولی برای سه گیرنده در محدوده وسیعی از تفاوت زمانی­های یکنواخت رسم شده است با فرض اینکه خطوط فاصله زمانی 1µs را نشان ‌دهند و چندمسیرگی و دیگر خطاها تا 1ms تخمین زده شود، تحت این شرایط نواحی سایه‌دار همان محدوده عدم قطعیت 1µs ± نشان می­دهد. همان­طور که مشخص است بهترین دقت به مرکز  شکل قرارگیری گیرنده­ها نزدیک­تر است و در خارج آن دقت کمتری وجود دارد. زمانی که سه گیرنده در یک راستا قرار گیرند دقت به‌شدت افت می­کند‏[1]
  • دقت TDOA وابسته به هندسه قرارگیری گیرنده­ها است

• پهنای باند سیگنال، تناوب و چندمسیرگی: همان­طور که گفته شد سیگنال با پهنای باند بزرگ‌تر در حوزه زمان باریک‌تر خواهد بود بنابراین در سیگنال­های پهن باند دقت بالاتر و دستیابی آسان­تری در تعیین زمان حتی در حضور نویز و اعوجاج چندمسیرگی وجود دارد اگرچه مطابقت پهنای باند گیرنده با پهنای باند سیگنال موردنیاز است. سیگنال­های بسیاری وجود دارد که با متمرکز کردن انرژی خود، در اطراف حامل به گیرنده با پهنای باند باریک اجازه جداسازی سیگنال از سیگنال­های مجاور و اصلاح نسبت سیگنال به نویز می­دهند. درروش محاسبه TDOA مبتنی بر همبستگی، گاهی پاسخ­های اشتباه در مورد سیگنال­های متناوب رخ می­دهد زیرا ممکن است سیستم قادر به شناسایی و تشخیص قله همبستگی متقاطع ناشی از دریافت یک سیگنال در دو گیرنده TDOA و قله همبستگی به علت دریافت دو سیگنال نباشد.
• دقت زمانی اساس دقت مکانی در سیستم TDOA است همان­طور که دقت زاویه پایه و اساس سیستم DF است. اگرچه دقت زمانی لازم است اما برای اطمینان از دقت مکانی کافی نیست زیرا عملکرد سیستم TDOA بر دقت مکانی اثرگذار است‏[1]

گیرنده­های مورداستفاده در روش TDOA پهنای باند IF قابل تنظیم باید داشته باشند تا طیف سیگنال­ها از هم جدا شوند توان نویز کاهش یابد و از حداکثر پهنای باند سیگنال جهت افزایش دقت مکان­یابی استفاده شود. برای کاهش نیازمندی­های شبکه، گیرنده­ها که نمونه­های سیگنال را  به سیستم TDOA برای محاسبه منتقل می­کنند باید از حداقل نرخ نمونه­برداری که منجر به اعوجاج نشود استفاده کند و دقت زمانی باید مستقل از نرخ نمونه‌برداری باشد. هر گیرنده باید امکان اضافه کردن ضرایب کالیبراسیون تأخیر را داشته باشد. حداقل تعداد گیرنده­ها در سیستم TDOA سه است درصورتی‌که تعداد گیرنده­های بیشتری استفاده شود ‌دقت مکان­یابی را بهبود می­بخشد. اگرچه افزایش تعداد گیرنده­ها حجم محاسبات را افزایش می­دهد.

 عواملی که باید در زمان طراحی یک سیستم TDOA در نظر گرفته شود شامل دقت مکانی مطلوب، پیچیدگی سیستم، محیط انتشار، نوع سیگنال­های موردبررسی، عملکرد آنتن و گیرنده است. سیستم­های TDOA به‌طورمعمول از گیرنده GPS به‌عنوان مرجع زمانی استفاده می­کنند.

• روش SSL[10] در محدوده HF

در این روش با استفاده از یک DF موقعیت فرستنده تعیین می­شود. اطلاعات دریافتی DF ناشی از اندازه­گیری­های انعکاسی از یونسفر است (مطابق ‏شکل 1-16 ). این روش برای زمانی که به علت محدودیت جغرافیایی، زمانی و … نمی­توان از روش DF مثلثی استفاده شود به کار گرفته می­شود. در این روش به‌طور همزمان زاویه AZ و EL سیگنال دریافتی به‌وسیله آرایه آنتن تعیین می­شود. این روش برای مکان­یابی فرستنده تا 2500کیلومتر  مناسب است اگرچه تخمین فرستنده بیش از 1000کیلومتر با زاویه EL کوچک و موقعیت قرارگیری نیز ممکن است. در این روش فرض می­شود انتشار HF با انعکاس از یک لایه افقی با ارتفاع مناسب از یونسفر اتفاق می­افتد و تنها یک انعکاس از یونسفر به DF می­رسد. در صورتی که چندین انعکاس به فرستنده برسد فاصله محاسبه‌شده از فاصله واقعی کمتر خواهد شد. ارتفاع یونسفر نیز ممکن است ابهام ایجاد کند و انعکاس­ها از لایه­های مختلف باشد و این باعث ابهام در نتایج خواهد شد‏[1]

• روش SSL

• تخمین ارتفاع یونسفر

در یک روش با استفاده از یک عمق­سنج می­توان خصوصیات انتشار از یونسفر را در همه فرکانس­ها تعیین کرد. عمق­سنج نیاز به یک فرستنده، آنتن اختصاصی و نرم‌افزارهای تحلیل دارد. در روش دیگر با کالیبراسیون سیستم با کمک یک فرستنده با مکان شناخته‌شده، ارتفاع تخمین زده می­شود اگرچه این روش دقتی به اندازه دقت قبل را ندارد. در این روش نیاز به یک پایگاه داده بروز شده از موقعیت فرستنده­ها است. برخی مؤسسات علمی با استفاده از فعالیت­های خورشیدی نتایج دقیق را از ویژگی­های یونسفر ارائه می­دهند.

• نرم‌افزار مکان­یابی

نرم‌افزار جهت‌یابی رادیویی موارد زیر را با استفاده از نتایج اندازه­گیری فراهم می­کند:

• زاویه AZ
• زاویه EL
• میانگین‌گیری نتایج اندازه­گیری
• سطح HF در ورودی گیرنده (dBm)
• خطای فاصله عرضی و طولی

مراحل مختلف روش محاسبه فاصله برای فرستنده HF شامل موارد زیر است

• هیستوگرام EL
• فیلتر کردن هیستوگرام EL
• تعیین بسته‌بندی‌ها
• پردازش EL کوچک
• اندازه­گیری یونسفر
• تعیین چهار فاصله اصلی
• تعیین فاصله نهایی

برای هر تشعشعی محاسبه مکان، نتایج زیر را نیز به دنبال دارد

• میانگین AZ
• تعداد اندازه­گیری­های اولیه
• متوسط سطح HF
• خطای شعاعی
• خطای طولی
• مختصات جغرافیایی فرستنده

• مقایسه روش­های مکان­یابی

در ‏جدول 1-3به اختصار روش­های گفته‌شده باهم مقایسه می­شود.

• مقایسه روش­های مکان‌یابی

پارامتر	Homing/Standoff	مثلثی	TDOA	SSL( برای باند HF)
تعداد  ایستگاه­های موردنیاز	1	2 عدد برای مکان­یابی AOA 3عدد برای مکان­یابی بدون ابهام	حداقل 3 عدد و تعداد بیشتر برای مکان­یابی دقیق­تر	1 عدد
تجهیزات موردنیاز	آنتن DF روی وسیله نقلیه بدون نیاز به شبکه	یک DF برای هر سایت نرخ داده پایین شبکه برای تبادل نتایج مختصات وAOA	-شبکه داده برای انتقال سیگنال دیجیتالی -نیازمندی­های کم برای آنتن و گیرنده -همزمان سازی  مشترک با کمک GPS	1 ایستگاه برای اندازه­گیری زوایای AZ و EL و روش تعیین ویژگی­های یونسفر مانند عمق سنج یا کالیبراسیون
عملکرد وابسته به فرستنده/ جغرافیای مکان سیستم	–	دقت در مرکز سیستم DF  مثلثی بهتر می­شود و در خارج آن کاهش می­یابد	دقت در اطراف گیرنده بهتر است	برای یک انعکاس از سیگنال ابهامی ندارد
عملکرد وابسته به پهنای باند سیگنال ورودی	–	وابسته به روش مورداستفاده	برای سیگنال­های باند باریک یا بدون مدوله مناسب نیست	–
ایستگاه ثابت یا سیار اختصاصی	فقط سیار	سیار و ثابت	سیار و ثابت	ثابت
رفع مشکل منابع چندتایی سیگنال و چندمسیرگی	–	به‌جز برای منابع همدوس	با استفاده از روش‌های پیشرفته پردازش TDOA	به‌جز برای منابع همدوس

مراجع

• Handbook on spectrum  Monitoring, ITU,2011
• Recommendation ITU-R SM.854

[1] Direction-finding

[2] Open air test site

[3] Angle-Of-Arrival

[4] Least Error Squares

[5] Time Difference Of Arrival

[6] Time-Of-Arrival

[7] Training sequence

[8] Synchronization code

[9] PILOT code

[10] Single Station Location