Стохастическая модель системы одномерного позиционирования в протяженных подземных сооружениях

Аннотация

Статья посвящена фазовой радиодальнометрии диапазона средних волн в квазиодномерных подземных сооружениях (рудники, шахты). Рассмотрены ошибки, возникающие из-за поперечного смещения, вертикальной ориентации приемника абонента, шума, и рассинхронизации с генератором базовой станции. Для анализа сигнала использована модель приемного диполя в поле однопроводной линии передачи над однородным полупространством. Показано, что магнитный диполь наиболее приемлем для использования в аппаратах абонентов. Использована стохастическая модель с гауссовым распределением для наклона диполя, распределением Рэлея для радиального смещения и белым шумом. При низком отношении сигнал/шум (менее 30 дБ) ошибка определения координат определяется уровнем шума и приближается к 15 м при 10 дБ. При отношении сигнал/шум более 35 дБ графики выходят на почти горизонтальную зависимость, то есть ошибка определяется физическими особенностями приема сигнала, вне зависимости от величины отношения сигнал/шум, и точность составляет порядка 4 метров.

• подземная связь
• подземная навигация
• позиционирование
• фазовая радиодальнометрия
• ошибка позиционирования

Abstract (in English)

Stochastic model of a one-dimensional positioning system in long underground structures

The article is devoted to phase radio ranging in the medium-wave range in quasi-one-dimensional underground structures (mines). The errors arising from lateral displacement, vertical orientation of the subscriber's receiver, noise, and synchronization with the base station's generator are considered. A model of a receiving dipole in the field of a single-wire transmission line above a homogeneous half-space is used for signal analysis. It is shown that a magnetic dipole is the most suitable for use in subscriber devices. A stochastic model with a Gaussian distribution for the dipole's tilt, a Rayleigh distribution for radial displacement, and white noise is used. At low signal-to-noise ratios (below 30 dB), the error in determining coordinates is determined by the noise level and approaches 15 m at 10 dB. At signal-to-noise ratios exceeding 35 dB, the graphs approach a horizontal line, indicating that the error is determined by the physical characteristics of signal reception, regardless of the signal-to-noise ratio, and the accuracy is approximately 4 meters.

Для цитирования

Литература

1. Федосов Д.В. и др. Современное состояние систем радионавигации диапазона ультравысоких и сверхвысоких частот в подземных сооружениях // Успехи современной радиоэлектроники. 2025. Т. 79. № 4. C. 48-63. https://doi.org/10.18127/j20700784-202504-05
2. Патент RU 2797240. Способ навигации и измерения расстояний в протяженных объектах / Федосов Д.В., 01.06.2023. Заявка № 2022112599 от 05.05.2022
3. Федосов Д.В., Колесников А.В. Обоснование концепции системы связи диапазона средних волн в подземных квазиодномерных сооружениях // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023. Т. 26. № 3. С. 89-97. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.3.89-97
4. Wait J.R. The eccentrically located wire in a cylindrical cavity in a conducting medium and the limit of a planar boundary // Radio Science. 1976. Vol.11 (11), pp. 897-899.
5. Pettersson P. Image representation of wave propagation on wires above, on and under ground // IEEE Trans. Power Delivery. 1994. Vol. 9, No. 2. Pp. 1049-1055.
6. Pettersson P. Propagation of waves on a wire above a lossy ground - different formulations with approximations // IEEE Transactions on power delivery. 1999. Vol. 14. No. 3. P. 1173-80.
7. Papadopoulos T.A., Chrysochos A.I., Traianos Ch.K., Papagiannis G. Closed-form expressions for the analysis of wave propagation in overhead distribution lines // Energies. 2020. №13, pp. 4519. https://doi.org/10.3390/en13174519
8. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982. - 624 с.