способ пеленгования источника радиосигнала

Формула изобретения

1. Способ пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью трех ненаправленных антенн, образующих кольцевую эквидистантную решетку, и приемного устройства, измерение разности фаз между радиосигналами антенн, для всех баз, образованных опорной и другими антеннами кольцевой эквидистантной решетки, и определение по ним первичной оценки пеленга на источник радиосигнала, отличающийся тем, что одновременно в образованных на выходе приемного устройства первом и втором суммарно-разностных каналах, радиосигналы антенн преобразуют в суммарно-разностные радиосигналы путем вычитания радиосигнала опорной антенны из радиосигналов других антенн, суммирования полученных разностей радиосигналов в первом канале и вычитания во втором, измеряют комплексные амплитуды суммарно-разностных радиосигналов ,которые преобразуют в окрестности первичной оценки пеленга в комплексный угловой спектр вида

где m=1, 2 - номер суммарно-разностного канала, - возможные значения пеленга на источник радиосигнала, - диаграммы направленности суммарно-разностных каналов, - длина волны излучения, R - радиус решетки, - мнимая единица, и оценивают пеленг на источник радиосигнала по положению максимума модуля комплексного углового спектра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что положение максимума модуля комплексного углового спектра радиосигнала оценивают относительно первичной оценки пеленга введением поправки в виде отношения первой ко второй производной модуля комплексного углового спектра по пеленгу в точке его первичной оценки

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что значения первой и второй производных модуля комплексного углового спектра по пеленгу определяют по значениям модуля комплексного углового спектра в ближайшей окрестности первичной оценки пеленга

где - константа дифференцирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано в системах определения местоположения источников радиоизлучения.

Известен способ пеленгования источника радиосигнала, включающий когерентный прием и синхронную регистрацию сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в решетку антеннами, измерение, с применением преобразования Фурье, их комплексной амплитуды где m=1, 2, ..., N - номер антенны, умножение комплексной амплитуды на диаграмму направленности антенны , определение, для возможных значений пеленга , комплексного углового спектра по формуле по модулю которого определяют пеленг на источник излучения [Патент РФ №2158002, G 01 S 3/14, 5/04, 1999 г.].

Недостатком данного способа является низкая точность пеленгования, что обусловлено взаимным влиянием антенн в решетке, вызывающим искажение электромагнитного поля радиосигнала в точках размещения антенн. К недостаткам способа следует отнести и относительную сложность, связанную с необходимостью выполнения большого объема операций над сигналом, особенно при большом числе антенн.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ пеленгования источника радиосигнала, включающий прием радиосигнала с помощью трех ненаправленных антенн, образующих кольцевую эквидистантную решетку, измерение разности фаз между сигналами антенн для всех баз, образованных опорной и другими антеннами решетки, и определение по ним первичной оценки пеленга на источник, причем сигналы, модуль разности фаз между которыми минимален, суммируют, измеряют разность фаз между сигналом, не входящим в выбранную пару, и суммарным сигналом, а пеленг источника радиосигнала определяют, используя значения этой разности фаз, разности фаз между выбранной парой сигналов, а также угловое положение относительно опорного направления точки приема сигнала, не входящего в выбранную пару [Патент РФ №2124215, G 01 S 3/00, 1998 г.].

Вследствие уменьшения числа антенн, данный способ менее сложен в реализации, однако и он имеет низкую точность пеленгования из-за взаимного влияния антенных элементов. Для типовых условий погрешность пеленгования при этом достигает 5-10°.

Задачей данного изобретения является повышение точности пеленгования источника радиосигнала.

Это достигается тем, что в известном способе пеленгования источника радиосигнала, заключающемся в приеме радиосигнала с помощью трех ненаправленных антенн, образующих кольцевую эквидистантную решетку, измерении разности фаз между сигналами антенн для всех баз, образованных опорной и другими антеннами решетки, и определении по ним первичной оценки пеленга на источник, дополнительно одновременно сигналы антенн преобразуют в суммарно-разностные сигналы путем вычитания сигнала опорной антенны из сигналов других антенн, суммирования полученных разностей сигналов в первом канале и вычитания во втором, измеряют комплексные амплитуды суммарно-разностных сигналов , которые преобразуют, в окрестности первичной оценки пеленга , в комплексный угловой спектр вида

где m=1, 2 - номер суммарно-разностного канала,

- возможные значения пеленга на источник

- диаграммы направленности суммарно-разностных каналов, - длина волны излучения, R - радиус решетки,

и оценивают пеленг на источник по положению максимума модуля комплексного углового спектра,

причем положение максимума модуля комплексного углового спектра сигнала оценивают относительно первичной оценки пеленга введением поправки в виде отношения первой ко второй производной модуля комплексного углового спектра по пеленгу в точке его первичной оценки

а значения первой и второй производных модуля комплексного углового спектра по пеленгу определяют по значениям модуля комплексного углового спектра в ближайшей окрестности первичной оценки пеленга

где - константа дифференцирования.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием, во-первых, новых действий над сигналом: преобразование сигналов антенн в суммарно-разностные сигналы, преобразование их в комплексный угловой спектр, оценивание пеленга на источник по положению максимума модуля комплексного углового спектра, в частности на основе отношения первой ко второй производной модуля комплексного углового спектра по пеленгу, которые определяют по значениям модуля комплексного углового спектра, во-вторых, новых условий осуществления действий: преобразование в комплексный угловой спектр в окрестности первичной оценки пеленга, определение производных в ближайшей окрестности первичной оценки пеленга.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.

В сформированных по предложенному правилу суммарно-разностных сигналах в силу симметричного расположения антенных элементов осуществляется компенсация составляющих, обусловленных переотражениями сигналов от антенн и центральной мачты, на которую крепится антенная решетка. Суммарно-разностные сигналы не коррелированны. Статистический синтез для этих условий обусловливает необходимость оценки пеленга на основе максимизации модуля комплексного углового спектра. Однако подобная оценка неоднозначна, что и учитывается привлечением грубой, но однозначной первичной оценки пеленга.

Именно использование компенсационных свойств суммарно-разностного преобразования, в соответствии с предложенными новыми действиями над сигналом и условиями их осуществления, позволяет повысить точности пеленгования вплоть до полного устранения погрешностей, обусловленных взаимным влиянием антенн и центральной мачты.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг.2 - структурная схема варианта построения анализатора углового спектра, на фиг.3 - структурная схема варианта построения блока определения пеленга, на фиг.4 - фотография разработанной антенной решетки, на фиг.5 - результаты экспериментальных исследований в виде зависимостей ошибки пеленгования от направления на источник для прототипа (помечено крестиками) и предлагаемого способа (помечено кружками).

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит (фиг.1): антенны 1.1-1.3, подключенное к ним 3-канальное приемное устройство 2, блок первичной оценки пеленга 3, измерители разности фаз 4.1, 4.2, сумматоры 5.1-5.2, вычитатели 6.1-6.4, устройство 7 определения функции arctg х/у, элемент масштабирования 8, измерители комплексной амплитуды 9.1, 9.2, анализатор углового спектра 10, блок определения пеленга 11. Анализатор углового спектра 10 содержит (фиг.2): запоминающие устройства диаграмм направленности 12.1-12.2, умножители 13.1-13.2, квадраторы 14.1-14.2, сумматоры 15.1-15.2, элементы масштабирования 16.1-16.2, устройство определения модуля комплексных величин 17, устройство извлечения квадратного корня 18 и делитель 19. В состав блока 11 определения пеленга (фиг.3) входят: устройство определения первой производной 20, устройство определения второй производной 21, делитель 22 и вычитатель 23. Устройства 21, 22 определения производных включают элементы задержки 24.1-24.4, вычитатели 25.1-25.3, сумматор 26, элементы масштабирования 27.1-27.2. Блок первичной оценки пеленга 3 содержит измерители разности фаз 4.1-4.2, сумматор 5.1, вычитатель 6.1, элемент масштабирования 8 и устройство 7.

Измерители разности фаз 4.1, 4.2 первыми входами подключены через приемное устройство 2 к антенне 1.1 (опорной), а их вторые входы через каналы приемного устройства соответственно к антеннам 1.2 и 1.3. Выход измерителя разности фаз 4.1 через сумматор 5.1, а измерителя 4.2 через вычитатель 6.1 и элемент 8 подключен к первому и второму входам устройства 7, выход которого соединен с первыми входами блоков 10 (запоминающих устройств 12.1, 12.2) и 11 (первым входом вычитателя 23). Антенны 1.2 и 1.3 через приемное устройство 2 дополнительно подключены соответственно к первым входам вычитателей 6.2 и 6.3, а антенна 1.1- ко вторым их входам. Выход вычитателя 6.2 (6.3) соединен с первым входом блока 5.2 (6.4) и вторым входом блока 6.4 (5.2). Выход сумматора 5.2 соединен через измеритель комплексной амплитуды 9.1 с вторым входом анализатора 10 (первым входом умножителя 13.1 ), а вычитателя 6.4 через измеритель 9.2 - с третьим входом анализатора 10 (первым входом умножителя 13.2), выход которого (делителя 19) подключен ко второму входу блока 11 определения пеленга (входам элементов 24.1, 24.3). Выход запоминающего устройства 12.1 (12.2) соединен со вторым входом умножителя 13.1 (13.2) и входом квадратора 14.1 (14.2). Выходы квадраторов 14.1 и 14.2 подключены к первому и второму входам сумматора 15.2, квадратора 14.1 - непосредственно, а 14.2 - через элемент 16.2. Выходы умножителей 13.1 и 13.2 подключены к первому и второму входам сумматора 15.1, умножителя 13.1 - непосредственно, а 13.2 - через элемент 16.1. Выходы сумматоров 15.1 и 15.2 подключены к первому и второму входам делителя 19, сумматора 15.1 - непосредственно, а 15.2 - через устройство 18. Элементы задержки 24.1 и 24.2 (24.3 и 24.4) соединены последовательно и подключены к первому входу вычитателя 25.1 (25.3). Входы элементов 24.1 и 24.3 соединены с вторыми входами вычитателей 25.1-25.3.Выход элемента 24.3 через первый вход вычитателя 25.2 подключен к первому входу сумматора 26, ко второму входу которого подключен выход вычитателя 25.3. Выход вычитателя 25.1 и сумматора 26 через элементы соответственно 27.1 и 27.2 подключены к первому и второму входу делителя 22 и через него - ко второму входу вычитателя, выход которого является выходом блока определения пеленга 11 и устройства в целом.

Антенны 1.1-1.3 представляют собой симметричные вибраторы, размещены по окружности, на одинаковом взаимном удалении, образуя эквидистантную решетку, укрепленную в центре на мачте. Внешний вид такой антенной системы показан на фиг.4. Одна из антенн 1.2 опорная ориентирована от центра окружности на север. Отсчет пеленга и нумерация других антенн по часовой стрелке с нарастанием номеров. Приемное устройство 2 трехканального типа с настройкой каналов на частоту принимаемых сигналов. Измерители комплексной амплитуды 9.1, 9.2 цифрового типа, могут быть выполнены по варианту, приведенному в [Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с.67-68, рис.3.14], или, как в аналоге, с применением преобразования Фурье. Элементы масштабирования 8, 16.1-16.2, 27.1-27.2 обеспечивают умножение входной величины на константу, реализуются на умножителях и имеют следующие коэффициенты передачи в соответствии с указанным порядком: Другие элементы устройства являются типовыми.

Принцип функционирования устройства состоит в следующем. Радиоизлучения передатчиков принимают с помощью антенн 1.1-1.3, преобразуют и усиливают в приемном устройстве 2, на выходе которого получают сигналы антенн вида:

где - комплексная амплитуда сигнала в опорной уединенной антенне,

f - частота сигнала на выходе приемного устройства,

₁( ₀) - фазовые множители, определяемые положением антенн (l=1, 2, 3) и мачты (l=0),

₀ - пеленг на источник излучения,

, - коэффициенты взаимного влияния антенн и центральной мачты.

Коэффициенты взаимного влияния антенн одинаковы в силу симметрии антенной решетки и идентичности антенн, а фазовые множители определяются следующими соотношениями:

где R - радиус решетки,

- длина волны излучения.

В блоках 4.1 и 4.2 измеряют разности фаз между сигналами опорной 1.1 и антенн 1.3, 1.2: ₁₃, ₁₂. После образования их суммы в блоке 5.1 и разности

в блоке 6.1, нормировки в устройстве 8 и определения арктангенса отношения в блоке 7 получают первичную оценку пеленга на источник:

В отсутствие шумов и взаимного влияния антенн, когда коэффициенты , равны нулю, соотношение (3) дает точное направление при ограничениях общего характера: , присущих и прототипу, но реализуется с привлечением меньшего числа операций. В общем случае взаимное влияние элементов антенной системы приводит к погрешностям первичной оценки, показанным на фиг.4 крестиками.

Последующая обработка включает выполнение линейного преобразования сигналов антенн в суммарно-разностные сигналы. При этом сигнал опорной антенны 1.1 (по выходу приемного устройства) в блоках 6.2, 6.3 вычитают из сигналов антенн 1.2 и 1.3, полученные разности сигналов суммируют в сумматоре 5.2 в первом канале и вычитают в блоке 6.4 во втором канале с образованием суммарно-разностных сигналов:

В отсутствие шумов эти сигналы описываются соотношениями:

где - амплитуда сигнала на выходе суммарно-разностных каналов,

и

- диаграммы направленности суммарно-разностных каналов.

Согласно формуле (5), амплитуда суммарно-разностных сигналов не зависит от коэффициента взаимного влияния мачты, а взаимное влияние антенн отражается лишь в одинаковом ее масштабировании на выходе каналов.

В измерителях комплексной амплитуды 9.1, 9.2 исключается высокочастотное заполнение сигналов известным преобразованием вида:

где m=1, 2 - номер суммарно-разностного канала,

Т - время измерения.

В отсутствие шумов имеем:

При использовании цифровых схем обработки значения комплексной амплитуды получают в цифровом виде.

Преобразование (4) и последующее (6) обеспечивает важное свойство некоррелированности шумов суммарно-разностных каналов. При этом дисперсия шума в канале 1, относительно шума в приемнике, возрастает в 6 раз, а в канале 2 - удваивается. Статистический синтез для этих условий приводит к необходимости определения пеленга на основе максимизации по возможным направлениям на источник модуля комплексного углового спектра вида:

Комплексный угловой спектр характеризует распределение интенсивности принятого сигнала по возможным направлениям его прихода. Для его определения в запоминающие устройства 12.1, 12.2 анализатора спектра 10 предварительно записывают значения диаграмм , . Так как при преобразовании (4) исходное число каналов уменьшено, определение пеленга будет неоднозначным. Для устранения неоднозначности определение модуля комплексного углового спектра осуществляют в окрестности первичной оценки пеленга:

Согласно (8), погрешность первичной оценки не должна превышать по модулю величины /2.

Соответствующим образом в окрестности первичной оценки пеленга на основе данных блока 7 производится считывание информации из запоминающих устройств 12.1, 12.2.

После измерения комплексных амплитуд осуществляется последовательно для каждого возможного значения пеленга обработка в блоках 13.1, 13.2, 15.1, 17 и 14.1, 14.2, 16.2, 15.2, 18, 19 в соответствии с правилом (7). 3начения модуля комплексного углового спектра поступают на выход анализатора 10.

В блоке определения пеленга 11 по положению максимума модуля комплексного углового спектра оценивают пеленг на источник. В вариантном исполнении положение максимума модуля комплексного углового спектра сигнала оценивают введением относительно первичной оценки пеленга поправки (в блоке 23) в виде отношения (получают в делителе 22) первой (получают в блоке 20) ко второй (в блоке 21) производной модуля комплексного углового спектра по пеленгу в точке его первичной оценки:

Значения производных модуля комплексного углового спектра по пеленгу определяют по значениям модуля комплексного углового спектра в ближайшей окрестности первичной оценки пеленга:

где - константа дифференцирования.

Для этого в элементах 24.1, 24.2 и 24.3, 24.4 осуществляют задержку значений модуля комплексного углового спектра в окрестности первичной оценки пеленга на величину и с применением вычитателя 25.1, элемента 27.1 определяют первую производную, а с помощью вычитателей 25.2, 25.3, сумматора 26 и элемента 27.2 - вторую производную. Таким образом, в данном варианте исполнения достаточно оценить только три значения модуля комплексного углового спектра, что упрощает реализацию способа. Значение константы дифференцирования определяется допустимой погрешностью определения пеленга. Так, для обеспечения погрешности не хуже 0.2° необходимо обеспечить 10°.

На заключительном этапе полученная поправка вычитается из первичной оценки:

с выдачей результата на выход устройства.

Для оценки технического результата (повышение точности пеленгования), достигаемого предлагаемым способом, проведены экспериментальные полигонные исследования с применением антенной решетки вида фиг.4. Расстояние между антеннами решетки составляет 1,6 м. Система состоит из симметричных вибраторов длиной 2,4 м и диаметром 1,6 см, укрепленных на мачте высотой 4,7 м. Результаты исследований показали, что в диапазоне частот 84-128 МГц модуль коэффициентов взаимного влияния антенн и мачты достигает величины 0,15 и 0,25, а погрешности оценки пеленга - величины 5-10°. Последнее иллюстрируется фиг.5, где приведена зависимость погрешности пеленгования (разность между измеренным и истинным пеленгом) от пеленга на контрольный источник. Для прототипа при оценке пеленга по правилу (3) результаты отмечены крестиками. Кружками выделены аналогичные данные для предлагаемого способа. Видно, что предлагаемый способ обеспечивает повышение точности пеленгования с исходного уровня погрешностей порядка 10 градусов вплоть до полной компенсации погрешностей взаимного влияния, когда остаются только ошибки шумового характера порядка долей градусов.