способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов

Классы МПК:G01S3/00 Пеленгаторы для определения направления, с которого поступают инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые колебания, электромагнитные волны или потоки элементарных частиц, не имеющие выраженной направленности
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-12-10
публикация патента:

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пеленгации. Достигаемый технический результат - расширение возможностей пеленгации, сокращение времени расчета угловых параметров многолучевого ионосферного сигнала. Технический результат достигается тем, что круговую антенную систему, расположенную на поверхности земли, дополняют линейной системой вибраторов, расположенных вдоль вертикали к поверхности земли. С помощью сформированной таким образом антенной системы (трехмерная антенная система), многоканального приемника, многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и временного преобразования Фурье формируют пространственно-временной массив комплексных данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , отображающий значения напряженности поля в n точках трехмерного пространства (n - номер вибратора) и в m-е моменты времени, с интервалами 1-2 секунды (индекс m определяет номер временного среза данных на n вибраторах, m=1÷M+1). Количество временных срезов данных берется на единицу больше, чем количество лучей М. Затем осуществляют соответствующую математическую обработку, фильтруют однолучевые поля из совокупности полей ионосферного сигнала, формируют для каждого выделенного поля диаграммы направленности, сканируют диаграммой направленности в диапазоне оценочных максимумов и углов места и оценивают азимуты, углы места и амплитуды по максимуму диаграммы направленности для М лучей ионосферного сигнала. 6 ил. способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Формула изобретения

Способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, включающий прием ионосферного сигнала с помощью круговой антенной системы, состоящей из N вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R, преобразование по частоте и усиление сигналов от каждого n вибратора с помощью многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов на выходах многоканального приемника в каждом n канале в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя, определение амплитуды En и фазы способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 n принятого ионосферного сигнала в каждом канале с помощью временного преобразования Фурье, отличающийся тем, что круговую антенную систему дополняют вертикальной линейкой вибраторов с номерами n=N+1÷N1, создавая трехмерную антенную систему, дополнительно с помощью антенной системы, многоканального приемника, многоканального АЦП, блока преобразования Фурье формируют пространственно-временной массив данных En,k, способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 n,k, повторяя измерения через временной интервал способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 t=1÷2 с, где индекс n=1÷N1 определяет номер вибратора, а индекс k=1÷K определяет номер временного среза данных, причем K=M+1, формируют с помощью пространственно-временного массива данных корреляционную матрицуспособ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , размерностью, равной количеству лучей М, с элементами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , где индекс p=1÷K, и правый вектор-столбец способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , где T означает транспонирование вектора-столбца, элементы которых усредняют по индексу n (по вибраторам), решая векторное уравнение способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 находят значения М коэффициентов вектора способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , равное количеству лучей, формируют полином степени, равной количеству лучей м, способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , где способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и находят М решений (способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , m=1÷M) этого полинома, равное количеству лучей, определяют с помощью полученных решений элементы M импульсных последовательностей фильтров способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , равное количеству лучей, с помощью которых выделяют (фильтруют) М однолучевых полей способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ионосферного сигнала, равное количеству лучей, по которым формируют двумерные диаграммы направленности, оценивают по максимумам диаграмм направленностей азимуты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m и углы места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m М лучей ионосферного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пеленгации, и может быть использовано для измерения азимутов и углов места ионосферных сигналов в условиях приема нескольких интерферирующих лучей, в том числе при малых углах места. При приеме ионосферных сигналов в точку приема, как правило, приходят несколько лучей (1÷4), отраженных от разных слоев ионосферы, с азимутами, находящимися в области главного лепестка диаграммы направленности (способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ~5÷10 градусов). Вследствие интерференции суммарный главный лепесток диаграммы направленности антенной системы, состоящий из суммы диаграмм направленности отдельных лучей, существенно меняется, часто создавая ложные азимуты (пеленги), отличающиеся от истинных азимутов (пеленгов) на десятки градусов. В результате достоверность оценок азимутов, а также углов места ионосферных сигналов оказывается низкой. Кроме того, при пеленгации ионосферных сигналов существует проблема малых углов места. При приеме ионосферных сигналов на расстояниях более 2000 км угол места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 оказывается в области значений от 0° до 15÷20°. В этих условиях пространственная база для определения угла места L=Rsin(способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ) становится малой и значительно возрастает дисперсия измеряемых углов места. Задачей пеленгации ионосферных сигналов является определение координат источника излучения. В связи с этим в способе пеленгации необходимо решение задачи выделения лучевой структуры сигнала и определение, по измеренной лучевой структуре, координат излучателя. При этом важна информация как об азимутах, так и об углах места многолучевого ионосферного сигнала.

Известны фазовые способы измерения азимута и угла места (пеленгации), осуществляемые путем измерений разности фаз между вибраторами антенной системы и оценки по этим измерениям азимутов и углов места (Патент RU № 2263327, опубликован 27.10.2005 г.; Патент RU № 2365931, опубликован 27.08.2009 г.; Патент RU № 2429500, опубликован 20.09.2011; Патент RU № 2450283, опубликован 10.05.2012 г.; Заявка на изобретение RU № 2010143935, опубликована 10.05.2012 г.; Заявка RU № 2003108306 от 25.03.2003 г., G01S 3/14, опубликована 10.10.2004 г.). Недостатком вышеуказанных способов является то, что используется только фазовая информации. Однозначное определение фазы волны на вибраторах возможно на интервале 0÷360°. Это требует малого, по сравнению с длиной волны, пространственного разнесения вибраторов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 . В условиях приема двух или нескольких близких по азимуту лучей фазовые способы оценки азимута и угла места являются неустойчивыми. При разности фаз между лучами ~180° они дают отклонения азимута на десятки градусов (ложные пеленги), что значительно снижает достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов. Разработанные к настоящему времени фазовые методы оценки азимутов и углов места (пеленгации) предназначены для оценок этих параметров для одного луча на заданной частоте. Антенная система, расположенная в плоскости земной поверхности, не может решить проблему малых углов в оценке азимутов и углов места ионосферных сигналов.

Известны способы пеленгации по максимуму диаграммы направленности антенной системы (Патент RU № 2144200, опубликован 10.01.2000 г.; Патент RU № 2258241, опубликован 10.08.2005 г.; Патент RU № 2419805, опубликован 27.05.2011 г.; Патент RU № 2201599, опубликован 27.03.2003 г.; Патент RU № 2004100714, опубликован 20.06.2005 г.). В этом случае используется временное преобразование Фурье для частотного выделения сигнала от отдельных вибраторов антенной системы и различные формы пространственной обработки данных (формирование диаграммы направленности). Наилучшим образом диаграмма направленности формируется при использовании пространственного преобразования Фурье. В результате создается двумерный комплексный угловой спектр (диаграмма направленности антенной системы). При использовании пространственного преобразования Фурье диаграмма направленности формируется по выражению (комплексный вид):

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где:

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - комплексная амплитуда в n-точке пространства с радиус-вектором способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - оценочный волновой вектор ионосферного сигнала,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ' - оценочные значения азимута и угла места ионосферного сигнала.

Квадрат модуля нормированной диаграммы направленности (расчетная форма) определяется выражением

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где черта сверху означает суммирование по индексу «n».

Недостатком вышеуказанных способов, связанных с оценкой углов места по максимуму диаграммы направленности антенной системы, является неустойчивость решения при наличии многолучевой интерференции при разности фаз между лучами ~180°. При приеме двух или нескольких интерферирующих лучей ионосферного сигнала (различие в азимутах меньше ширины диаграммы направленности) суммарная диаграмма направленности за счет изменения разности фаз между лучами (в области ~180 градусов) в значительной степени подавляется. Боковые или задние лепестки суммарной диаграммы направленности в этих условиях становятся больше по величине, чем основной лепесток диаграммы направленности. В результате азимут (пеленг) в амплитудном способе пеленгации определяется по максимальному боковому или заднему лепестку диаграммы направленности антенной системы. Отклонения азимута (ложные пеленги) достигают десятков градусов. В результате достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов оказывается низкой. Кроме того, невозможно обеспечить работоспособность пеленгатора в широком частотном диапазоне 2÷30 МГц. Требования точности измерения пеленга в низкочастотной части диапазона (3÷4 МГц) определяют базу антенной системы 2Rспособ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 150 м. Однако при количестве вибраторов ~16 в высокочастотной части диапазона (20÷30 МГц) диаграмма направленности не формируется в связи с большим пространственным разнесением вибраторов по сравнению с длиной волны, что ограничивает частотный диапазон сверху. Расположение вибраторов антенной системы на поверхности земли (на плоскости) не может решить проблему малых углов при пеленгации ионосферных сигналов.

Известны способы определения азимута и угла места (пеленгации), антенная система в которых состоит из двух взаимно перпендикулярных линейных эквидистантных антенных решеток (Патент RU № 2192651, опубликован 05.10.2000 г.). Способ включает в себя прием сигнала с помощью антенной системы, многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов в каждом канале в цифровую форму, использование двумерного углового преобразования Фурье, которое создает диаграмму направленности антенной системы. Максимум диаграммы направленности позволяет оценить азимут (пеленг) и угол места. Недостатком этого способа пеленгации является зависимость точности измерения пеленга от взаимной ориентации антенной системы и пеленга. При пеленгации ионосферных сигналов в условиях приема двух или нескольких интерферирующих лучей могут возникать ложные пеленги, что значительно снижает достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов. Расположение вибраторов антенной системы на поверхности земли (в плоскости) не может решить проблему малых углов при пеленгации ионосферных сигналов данным способом пеленгации.

Известны способы оценки азимутов и углов места (пеленгации), антенная система в которых состоит из ограниченного количества вибраторов (3÷5 вибратора) (Патент RU № 2262119, опубликован 10.10.2005 г.; Патент RU № 2253877, опубликован 10.06.2005 г.). Недостатками этого способа пеленгации является малая помехоустойчивость, вследствие отсутствия статистической обработки данных, наличие ложных пеленгов при приеме двух или нескольких близких по азимуту лучей ионосферного сигнала, невозможность решения проблемы малых углов места.

Наиболее близким (прототип) к предлагаемому способу оценки угловых параметров при приеме многолучевых ионосферных сигналов является «Способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами», патент RU № 2305294, МПК G01S 3/16, опубликован 27.08.2007 г.

Согласно данному способу пеленгации (прототип) последовательность действий следующая. С помощью антенной системы, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R (пространственная база сигнала) 1) принимают ионосферные сигналы, 2) преобразуют их по частоте, 3) усиливают посредством многоканального приемника. Аналоговые сигналы на выходах многоканального приемника в каждом канале (от каждого вибратора) 4) преобразуют в цифровую форму посредством многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). 5) Определяют амплитуды En и фазы способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 n принятого ионосферного сигнала в каждом канале (от каждого вибратора) с помощью временного преобразования Фурье. 6) Формируют суммарную четырехмерную (для двух лучей) диаграмму направленности с учетом коэффициента корреляции способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 между лучами по выражениям

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - комплексная амплитуда сигнала, измеренная на n вибраторе,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - радиус-вектор, определяющий местоположение n вибратора,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - волновые векторы первого и второго лучей ионосферного сигнала, зависящие от оценочных азимутов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и углов места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - коэффициент корреляции между лучами.

Черта сверху означает суммирование по индексу n.

Знак * означает комплексное сопряжение,

Знак способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 означает комплексную величину.

7) Производят сканирование диаграммой направленности в четырехмерном пространстве за счет изменения оценочных азимутов и углов места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 в указанных угловых диапазонах с определенным шагом и запоминая значения параметров способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 . Азимут и угол места каждого луча определяются по максимуму четырехмерной диаграммы направленности.

Недостатком способа пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами (прототипа) является его ограниченность, связанная с приемом только одного или двух лучей ионосферного сигнала, в то время как в ионосферном сигнале количество лучей может достигать четырех и более. Вторым недостатком этого способа является большая трудоемкость, связанная с необходимостью перебора (сканирования диаграммой направленности) двух азимутов и двух углов места (способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ) с шагом по азимуту способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 0.5° в диапазоне 0÷360 градусов и с шагом по углу места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 0.5° в диапазоне 0÷90 градусов в четырехмерном пространстве азимутов и углов места. При увеличении количества лучей в этом способе пеленгации время, требуемое для расчета параметров, увеличивается экспоненциально с увеличением количества лучей. Если Т - необходимое время расчета параметров одного луча в одной точке области определения и М - количество точек, то для N лучей требуется время ТТ=Т*M2N. Третьим недостатком является наличие проблемы малых углов места при данном способе пеленгации ионосферных сигналов, обусловленное плоской (двумерной) антенной системой.

Блок-схема технической реализации данного способа пеленгации (прототипа) представлена на фиг.1. Согласно способу пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами последовательность действий следующая.

1. Принимают сигналы с помощью круговой антенной системы,

состоящей из N вибраторов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , расположенных на поверхности земли равномерно по окружности радиуса R способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (блок 1). Количество вибраторов определяется количеством параметров ионосферного сигнала и заданным значением отношения сигнал/шум. Радиус антенной системы определяется размером пространственных интерференционных максимумов на поверхности земли.

2. С помощью многоканального приемника преобразуют сигналы от каждой антенны (в каждом канале) по частоте, усиливают и фильтруют (блок 2).

3. Преобразуют аналоговые сигналы на выходах многоканального приемника от каждого вибратора в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (блок 3).

4. Определяют амплитуды E n и фазы способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 n сигналов от каждого

вибратора (в каждом канале), например, с помощью временного преобразования Фурье (блок 4).

5.Задают точку в пространстве оценочных азимутов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и углов места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и определяют согласно (3) четырехмерную диаграмму направленности способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 в заданной точке по выборке данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и запоминают ее значения и значения переменных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (Блок 5).

6. Повторяют действия (5) с другими значениями параметров способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (из области их определения) с шагом по азимуту способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 0.5° в диапазоне 0÷360 градусов и с шагом по углу места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 0.5° в диапазоне 0÷90 градусов и создают поверхность в четырехмерном пространстве азимутов и углов места (четырехмерную диаграмму направленности) (блок 6).

7. Определяют максимальное значение четырехмерной диаграммы направленности и фиксируют параметры способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , а также способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (блок 7).

8. Определяют ранг поля (однолучевое или двулучевое) по условию U01/U02способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 3 и оставляют решения, удовлетворяющие этому условию (блок 8).

Целью предлагаемого изобретения «Способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов» (технический результат) является:

- расширение возможностей «Способа пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи» на случай приема М лучей (М=1÷4 и более),

- решение проблемы малых углов места при пеленгации ионосферных сигналов,

- сокращение времени расчета угловых параметров многолучевого ионосферного сигнала.

Технический результат достигается тем, что круговую антенную систему, расположенную на поверхности земли, дополняют линейной системой вибраторов, расположенных вдоль вертикали к поверхности земли (например, 5 вибраторов с интервалом между вибраторами 10 м). С помощью сформированной таким образом антенной системы (трехмерная антенная система), многоканального приемника, многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и временного преобразования Фурье формируют пространственно-временной массив комплексных данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , отображающий значения напряженности поля в n точках трехмерного пространства (n - номер вибратора на поверхности земли и вдоль вертикальной линейки вибраторов) и в m моменты времени, с интервалами 1-2 секунды (индекс m определяет номер временного среза данных на n вибраторах, m=1÷М+1). Количество временных срезов данных берется на единицу больше, чем количество лучей М. Формируют корреляционную матрицу способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , размерностью, равной количеству лучей ((М)*(М)), и правый вектор-столбец данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , элементы которых усредняются по индексу n (по вибраторам, по пространству), решая векторное уравнение (4), определяют неопределенные коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где

А - корреляционная матрица с элементами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,

m=1÷M, p=1÷M, n=1÷N, черта сверху означает суммирование по индексу n. способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - вектор-столбец с координатами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (черта сверху определяет суммирование по индексу n, по вибраторам, m=1÷M).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - вектор-столбец неопределенных коэффициентов.

Формируют полином способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (5), частотная зависимость которого позволяет оценить значения доплеровских сдвигов частот способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m лучей ионосферного сигнала по М минимумам полинома.

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Где способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 .

Определяют элементы импульсных последовательностей М фильтров для выделения отдельных однолучевых полей способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 .

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Выделяют (фильтруют) однолучевые m поля способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 из совокупности М полей ионосферного сигнала по выражениям (6). Верхний индекс в скобках в выражении (6) определяет номер однолучевого поля.

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Формируют диаграммы направленности для выделенных М лучей ионосферного сигнала с помощью пространственного преобразования Фурье, сканируют ими по азимуту и углу места и по максимумам углового спектра оценивают азимуты, углы места и амплитуды лучей ионосферного сигнала способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 .

Существенные отличия предлагаемого способа пеленгации от прототипа следующие.

- Вместо плоской (двумерной) антенной системы (прототип) создается трехмерная антенная система, с помощью которой решается проблема малых углов места при пеленгации ионосферных сигналов.

- Исключается операция создания четырехмерной диаграммы направленности и сканирование этой диаграммой в четырехмерном пространстве, которая значительно увеличивает время расчета параметров ионосферного сигнала и не позволяет реализовать способ (прототип) с большим количеством лучей.

- Пространственная информация, получаемая с помощью антенной системы, дополняется необходимой информацией во времени (срезы 10 данных) и проводится наиболее оптимальная совместная пространственно-временная обработка данных.

- Определяются элементы М импульсных последовательностей фильтров для выделения М однолучевых полей из суммы полей ионосферного сигнала и выделяются (фильтруются) однолучевые поля ионосферного сигнала.

- Вместо оценок параметров лучей по максимуму четырехмерной диаграммы направленности в прототипе, в предлагаемом способе пеленгации производятся оценки параметров лучей ионосферного сигнала по максимумам двумерных диаграмм направленностей выделенных М полей ионосферного сигнала.

Обоснованием предлагаемого способа оценки угловых параметров ионосферных сигналов является следующее.

Запишем сигнал на n вибраторе и в m точке по времени способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 в комплексной форме в виде

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - комплексная амплитуда р луча ионосферного сигнала,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - волновой вектор р луча ионосферного сигнала,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - значения азимута и угла места р луча ионосферного сигнала,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - местоположение n вибратора,

tm - время отсчетов напряженности поля (m меняется в пределах от 1 до М+1, Р=М - количество лучей в ионосферном сигнале,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 p - доплеровский сдвиг частоты р луча ионосферного сигнала.

Элементарные вибраторы антенной системы располагаются по окружности радиуса R и вдоль вертикали к поверхности земли Z.

Используя временную последовательность данных, исключим переменные, описывающие поля Р-1 лучей (способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 . В результате получим выражение (7) с неопределенными коэффициентами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (М=Р), выражение в правой части которого описывает поле лишь одной волны (индекс р у переменных убран).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Неопределенные коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 не зависят от номера вибратора n и номера среза данных m. Они зависят лишь от временного интервала способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 t. Следовательно, они одинаковы для выражения (7) при разных значениях индекса m. На основании этого запишем

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Объединяя (7) и (8) и переобозначив коэффициенты, получим

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Взаимосвязь коэффициентов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 определяется выражениями

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Используя выражение (9) запишем функционал правдоподобия в виде

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Дифференцируя выражение (11) по коэффициентам способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и приравнивая дифференциалы к нулю, можно получить матричное уравнение. В векторной форме оно имеет вид (4)

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - корреляционная матрица с элементами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 ,

m=1÷M, p=1÷M, n=1÷N, черта сверху означает суммирование по индексу n, способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - вектор-столбец с координатами способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (черта сверху определяет суммирование по индексу n, по вибраторам, m=1÷М).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - вектор-столбец неопределенных коэффициентов.

Решая векторное уравнение (4), можно получить значения коэффициентов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 вектора способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 . Используя коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , составим полином, зависящий от частоты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (5).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Корни полинома М степени дают М решений способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 . Следовательно, по выражениям (10) можно определить коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , которые представляют собой элементы импульсной последовательности фильтра для выделения однолучевого поля из суммы полей ионосферного сигнала. Используя коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , можно выделить (отфильтровать) однолучевые поля способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 (выражения (6)).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Для каждого однолучевого поля, выполняя пространственное преобразование Фурье, можно получить диаграмму направленности.

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

По максимумам диаграмм направленности определяют значения азимутов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m, углов места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m и амплитуд способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , для М лучей ионосферного сигнала.

Дисперсия азимута Dспособ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и дисперсия углов места Dспособ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 для однолучевого поля (дисперсия Рао-Крамера) при трехмерной антенной системе определяются выражениями.

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

где способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 2 - дисперсия шума,

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - модуль напряженности однолучевого поля,

K0=2способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 /способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - волновое число, способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 - длина волны,

R -радиус антенной системы,

Z - координата, перпендикулярная поверхности земли,

N, M1 - количество вибраторов на окружности радиуса R и вдоль координаты Z.

Дисперсия азимута определяется только вибраторами, расположенными по окружности на земле (N). Дисперсия угла места зависит как от горизонтальной пространственной базы, так и от вертикальной базы антенной системы. При способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 =0 дисперсия угла места определяется выражением

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Таким образом, дисперсия угла места зависит от новой пространственной базы:

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

Эта база не обращается в нулевое значение при значении способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , стремящемся к нулю. Следовательно, дисперсия трехмерной антенной системы не будет увеличиваться при приближении способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 к нулю. Задача малых углов места при пеленгации ионосферных сигналов оказывается решенной.

Сущность предлагаемого способа оценки угловых параметров ионосферных сигналов поясняется следующими рисунками и диаграммами.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется прототип «Способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами».

На фиг.2 представлена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ «Способ оценки угловых параметров ионосферного сигнала». По сравнению с прототипом второй, третий, четвертый блоки идентичны блокам прототипа, вместо 1,5÷8 блоков прототипа предлагаются действия новых блоков 1,5÷12. С помощью этих блоков формируется пространственно-временной массив, создаются корреляционная матрица и правый вектор-столбец векторного уравнения. При решении векторного уравнения находятся значения коэффициентов, формируется полином и находятся его корни. Это дает возможность определить элементы импульсной последовательности фильтров и выделить (отфильтровать) однолучевые поля. Определяются диаграммы направленности для отдельных лучей, и по максимумам диаграмм направленностей оцениваются амплитуды и угловые характеристики.

На фиг.3 показано расположение антенн на поверхности земли, составляющих круговую антенную систему (16 вибраторов), дополненную вертикальной линейкой вибраторов (5 вибраторов, установленных через интервал 10 м) «Круг-Z». Радиус антенной системы равен 65 м.

На фиг.4 показаны угломестные диаграммы направленности антенной системы «Круг-Z» на частоте 10 МГц (линия 2), на частоте 15 МГц (линия 1) и угломестная диаграмма направленности плоской круговой антенной системы на частоте 10 МГц (линия 3). В области малых значений углов места плоская антенная система не имеет четко выраженного максимума, а следовательно, углы места определяются с большими погрешностями. Так, например, если плоская волна приходит под углом места 10°, тогда антенная система "Круг-Z" имеет максимум диаграммы направленности при способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 =10°. В то же время диаграмма направленности плоской антенной системы "Круг" имеет плоскую вершину от 0° до 20°. Это и приводит к проблеме малых углов при приеме ионосферных сигналов.

На фиг.5 показана дисперсия углов места антенной системы «Круг -Z» в зависимости от углов места плоской волны. Сплошная линия представляет расчет дисперсии углов места по выражению (13). Точками отмечены дисперсии углов места, полученных при ее оценке по 50-ти расчетам. Таким образом, добавление к плоской антенной системе типа "Круг" линейки вибраторов на высотах от 0 до 40 м вполне решает проблему малых углов при приеме ионосферных сигналов.

На фиг.6 показаны углы места многолучевого ионосферного сигнала, полученные с помощью восьмиканального пеленгатора, работающего по алгоритму предлагаемого способа пеленгации. С помощью пеленгатора ведется прием сигналов радиостанцией «Би-Би-Си» (Англия). f=6,02 МГц. Отмечается наличие как двухлучевой структуры ионосферного сигнала, так и трехлучевой структуры. Получить такие оценки углов места с помощью классических методов пеленгации не представляется возможным.

Структурная схема устройства, в котором реализуется способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, представлена на фиг.2.

Согласно предлагаемому способу последовательность действий следующая (фиг.2).

1. Принимают ионосферный сигнал с помощью круговой антенной системы, дополненной вертикальной по отношению к поверхности земли линейкой вибраторов. Создают трехмерную антенную систему (блок 1).

2. Преобразуют сигналы в каждом канале (от каждого вибратора) по частоте, усиливают и фильтруют с помощью многоканального приемника (блок 2).

3. Преобразуют аналоговые сигналы на выходах многоканального приемника в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (блок 3).

4. Получают частотный спектр сигнала в N каналах с помощью преобразования Фурье. Формируют пространственный массив комплексных данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , выделяя максимумы частотных спектров (блок 4).

5. Формируют пространственно-временной массив данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , повторяя действия 1÷4 через интервалы 1÷2 с. Количество временных срезов данных на единицу больше (m=1÷M+1), чем количество лучей М (блок 5).

6. Формируют корреляционную матрицу способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , размерностью, равной количеству лучей ((М)*(М)), и правый вектор-столбец данных способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , элементы которых усредняются по индексу n (по вибраторам, по пространству) (блок 6).

7. Определяют коэффициенты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 при решении векторного уравнения (4) (блок 7). способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

8. Формируют полином способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , степени М для оценки значений доплеровских сдвигов частот ионосферного сигнала по выражению (5) и оценки по минимумам полинома способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 М доплеровских сдвигов частот ионосферного сигнала способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 m (блок 8).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

9. Определяют элементы импульсных последовательностей фильтров способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

k=1÷M (блок 9).

10. Выделяют (фильтруют) однолучевые поля способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 из совокупности полей ионосферного сигнала по выражениям (6) (блок 10).

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

11. Формируют для каждого выделенного поля способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 диаграммы направленности с помощью пространственного преобразования Фурье по выражению (12) и сканируют этой диаграммой направленности в диапазоне оценочных азимутов способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 '=0÷360° и углов места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 '=0÷90°.

способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013

12. Оценивают азимуты способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 , углы места способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 и амплитуды способ оценки угловых параметров ионосферных сигналов, патент № 2518013 по максимуму диаграммы направленности для М лучей ионосферного сигнала (блок 12).

Класс G01S3/00 Пеленгаторы для определения направления, с которого поступают инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые колебания, электромагнитные волны или потоки элементарных частиц, не имеющие выраженной направленности

акустический локатор импульсных источников звука -  патент 2529827 (27.09.2014)
способ пеленгации радиосигналов -  патент 2529184 (27.09.2014)
способ измерения угла тангажа летательного аппарата и радионавигационная система для его реализации -  патент 2528170 (10.09.2014)
устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ -  патент 2526588 (27.08.2014)
амплитудный радиопеленгатор (варианты) -  патент 2526536 (27.08.2014)
фазовый пеленгатор -  патент 2526533 (27.08.2014)
устройство глазкова определения углового положения источника света и способ глазкова его работы -  патент 2526218 (20.08.2014)
способ подавления реверберационной помехи -  патент 2525701 (20.08.2014)
способ обнаружения импульса от цели и измерения его паметров -  патент 2524349 (27.07.2014)
способ автоматизированного определение координат беспилотных летательных аппаратов -  патент 2523446 (20.07.2014)
Наверх