способ пеленгации источников радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в коротковолновом диапазоне

Формула изобретения

Способ пеленгации источников радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в коротковолновом диапазоне, включающий прием радиосигналов, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, отличающийся тем, что прием осуществляют плоской разреженной антенной решеткой из N ненаправленных антенных элементов, выбирают базовую тройку антенных элементов, выполняют перебор вариантов возможных полных фаз для базовой тройки при условии, что набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2 L/ , где L - максимальная сторона треугольника, - длина волны принятого сигнала, для каждого варианта полных фаз базовой тройки восстанавливают трехмерный волновой вектор и углы прихода сигнала по азимуту и углу места, после чего производят регенерацию фаз сигнала на остальных N-3 антенных элементах, определяют остаточную квадратичную невязку фазовых измерений в соответствии с формулой , где _i - значение фазы для i-го антенного элемента, k( ) - оцененное по измерениям на базовой тройке антенных элементов значение волнового вектора, - вектор углов прихода сигнала, x_i - трехмерный вектор пространственных координат для i-го антенного элемента, Т - символ транспонирования вектора, по минимуму невязки устанавливают реальный пеленг на источник с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для пеленгования источников радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), в частности для пеленгования источников радиосигналов с ППРЧ в коротковолновом (KB) диапазоне.

Пеленгование источников радиосигналов с ППРЧ связано с мониторингом широкого общего спектра многопозиционного сигнала и малой длительностью отдельных посылок. Наибольшую сложность представляет пеленгование источников коротких (до 20-30 пакетов) сигнальных сообщений: команд, откликов, позывных, управляющих и опорных посылок, при котором важную роль играет быстродействие осуществляемого процесса.

Быстродействие пеленгования играет первостепенную роль при совместной работе пеленгаторов с системой радиоподавления [1], когда оказывается необходимым осуществить блокировку несанкционированного источника радиоизлучения сразу после его обнаружения. Временной интервал от момента обнаружения радиопередатчика до момента блокирования может оказаться довольно большим, а ущерб от работы несанкционированного передатчика - весьма значительным.

Известен способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне [2], включающий прием радиосигналов и частотную селекцию. Прием осуществляется направленной антенной системой с последующим преобразованием сигналов для получения спектральных характеристик каждого канала и сравнения спектральных характеристик, по результатам которого определяют значение пеленга.

Недостатком известного способа является низкое быстродействие при пеленговании сигналов с ППРЧ, обусловленное большими массивами обрабатываемой информации. Отсутствие критериев идентификации принадлежности сигнальных посылок одному источнику снижает точность и достоверность пеленгования.

Известен способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне [3], включающий прием радиосигналов, частотную селекцию и демодуляцию М разнесенными пунктами приема и обработки. Прием осуществляется с помощью радиоприемных устройств на N частотах с ретрансляцией преобразованных к общей частоте сигналов на центральный пункт обработки, где вычисляется фазовые (временные) разности хода лучей. В процессе обработки измеряют длительность каждого пакета принимаемого сигнала и исключают посылки, имеющие длительность большую, чем длительность посылок контролируемой сети связи с ППРЧ.

Недостатком известного способа является низкое быстродействие при пеленговании коротких сигнальных сообщений. Это объясняется необходимостью использования затратного в вычислительном плане процесса итераций при сканировании по углам прихода сигнала. Кроме того, преобразование сигнала к общей частоте и ретрансляция преобразованных сигналов вносят дополнительные ошибки, снижающие точность пеленгования.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне, сущность которого описана в [4] (прототип). Способ включает прием радиосигналов и частотную селекцию. Прием осуществляется направленной антенной системой, сформированной из элементов антенной решетки (АР) и одного элемента широкополосного ненаправленного приема. Принятые сигналы преобразуют многоканальным приемником, получают спектральные характеристики каждого канала, сравнивают и по результатам сравнения определяют значение пеленга.

Недостатком способа является ограниченное быстродействие при пеленговании сигналов с ППРЧ. Это объясняется необходимостью выполнения большого количества операций выделения спектров и сравнения комплексных спектральных характеристик. Каждая операция требует применения затратного в вычислительном плане процесса итераций или сканирования по углам прихода сигнала. В KB диапазоне при реализации способа трудно обеспечить большую базу пеленгования, что приводит к ограниченной дальности и невысокой точности определения пеленгов на источники сигналов с ППРЧ.

Известное устройство для пеленгации сигналов (многоканальный пеленгатор) содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных радиоприемного устройства (РПУ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов с ППРЧ.

Целью изобретения является повышение быстродействия при пеленговании коротких сигнальных сообщений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне, включающем прием радиосигналов, частотную селекцию и измерение фазы принятых сигнальных посылок, прием осуществляют плоской разреженной АР из N ненаправленных антенных элементов (АЭ), а также введены операции выбора базовой тройки АЭ, выполнения перебора вариантов возможных полных фаз для базовой тройки при условии, что набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2 L/ , где L - максимальная сторона треугольника, - длина волны принятого сигнала, восстановления трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места для каждого варианта полных фаз базовой тройки, после чего проводят регенерацию фаз сигнала на остальных (N-3) АЭ, определяют остаточную квадратичную невязку фазовых измерений в соответствии с формулой , где _i - значение фазы для i-го АЭ, k( ) - оцененное по измерениям на базовой тройке АЭ значение волнового вектора, - вектор углов прихода сигнала, x_i - трехмерный вектор пространственных координат для i-го АЭ и по минимуму невязки фазовых измерений устанавливают реальный пеленг на источник радиосигнала с ППРЧ.

В устройство для пеленгации сигналов, реализующее способ пеленгации, содержащее N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных РПУ, АЦП и модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов с ППРЧ, а также содержащее модуль идентификации многочастотных сигналов, вход которого подключен к второму выходу модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала, и модуль индикации и регистрации пеленгов, введены плоская разреженная АР из N ненаправленных АЭ, полнодоступная коммутационная матрица, модуль определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, регенератор фаз сигнала на (N-3) АЭ, модуль остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, модуль принятия решения и модуль управления, выход которого через управляющую шину соединен с управляющими входами полнодоступной коммутационной матрицы, модуля определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, регенератор фаз сигналов на (N-3) АЭ, модуля остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуля принятия решения, а вход модуля управления соединен с выходом модуля идентификации многочастотных сигналов, при этом первый выход модуля определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала каждого канала подключен к соответствующему информационному входу полнодоступной коммутационной матрицы, первый выход которой через модуль определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ, регенератор трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, модуль остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуль принятия решения соединен с входом модуля индикации и регистрации пеленгов, а второй выход полнодоступной коммутационной матрицы через регенератор фаз сигналов на (N-3) АЭ подключен к второму входу модуля остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, причем каждый АЭ плоской разреженной АР соединен с входом соответствующего РПУ каждого канала.

При использовании предлагаемый способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне позволяет минимизировать функционал квадратичных невязок многоканальных фазовых измерений, обеспечивает работу на разреженных АР в условиях широкополосного приема и позволяет за счет введения новых операций упростить определение направления на источник радиосигналов, получать оценку пеленга путем прямых вычислений в противовес затратным в вычислительном плане способам, использующим итерации и сканирование по углам прихода сигнала и за счет этого повысить быстродействие при пеленговании.

Сочетания отличительных признаков и свойства предлагаемого способа пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне и устройства для пеленгации сигналов из литературы не известны, поэтому способ и устройство соответствуют критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для пеленгации сигналов.

На фиг.2 - графики экспериментальной оценки быстродействия при пеленговании.

Устройство для пеленгации сигналов (фиг.1) содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных РПУ 1, АЦП 2 и модуля 3 определения фазовых и временных параметров сигналов с ППРЧ, а также содержит модуль 4 идентификации многочастотных сигналов, вход которого соответственно подключен к второму выходу модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала, и модуль 5 индикации и регистрации пеленгов. В устройство введены плоская разреженная АР 6 из N ненаправленных АЭ 7, полнодоступная коммутационная матрица 8, модуль 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, регенератор 11 фаз сигнала на (N-3) АЭ 7, модуль 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, модуль 13 принятия решения и модуль 14 управления, выход которого через управляющую шину соединен с управляющими входами полнодоступной коммутационной матрицы 8, модуля 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератора 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, регенератора 11 фаз сигналов на (N-3) АЭ 7, модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуля 13 принятия решения, а вход модуля 14 управления соединен с выходом модуля 4 идентификации многочастотных сигналов. Первый выход модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала каждого канала подключен к соответствующему информационному входу полнодоступной коммутационной матрицы 8, первый выход которой через модуль 9 определения вариантов полных фаз базовой тройки АЭ 7, регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигнала по азимуту и углу места, модуль 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений и модуль 13 принятия решения соединен с входом модуля 5 индикации и регистрации пеленгов, а второй выход полнодоступной коммутационной матрицы 8 через регенератор 11 фаз сигналов на (N-3) АЭ 7 подключен к второму входу модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений, причем каждый АЭ 7 плоской разреженной АР 6 соединен с входом соответствующего РПУ 1 каждого канала.

Способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне реализуется следующим образом.

Известно [5], что одним из средств повышения эффективности многоканальных фазовых пеленгаторов является увеличение апертуры АР, которое влечет за собой увеличение числа АЭ и каналов приема. Однако в KB диапазоне имеют место значительные ограничения на число каналов, связанные прежде всего с размещением АЭ на значительных по размерам площадях, а также стоимостью и сложностью эксплуатации многоканального тракта.

Выходом является использование разреженных антенных решеток, расстояние между соседними АЭ у которых превышает значение /2 - половины длины волны принимаемого сигнала. Но в этом случае возникает неоднозначность при восстановлении полных фаз по измеренным в интервале (- , ) главным значениям фазы на АЭ антенной решетки. Показано [6], что для антенных решеток с иррациональным соотношением проекций на оси элементарных пеленгационных баз (расстояний между АЭ) с вероятностью, близкой к единице (относительно выбора угла прихода сигнала), имеется единственный глобальный экстримум диаграммы направленности - главный лепесток, что дает возможность устранения неоднозначности фазовых измерений. Но вычислительный аппарат пеленгования в этом случае требует множественных итераций, учитывающих взаимное влияние всех АЭ. Сложность вычислений при пеленговании сигналов с ППРЧ возрастает в десятки и сотни раз пропорционально числу спектральных составляющих, превышающих адаптивный порог, и во многих случаях требует использования отложенного режима. Это существенно ограничивает быстродействие при пеленговании источников радиосигналов с ППРЧ.

Предлагаемый способ основан на минимизации функционала квадратичных невязок [7] фазовых измерений. Оценка направления прихода плоской волны производится в предположении наличия единственной пространственной моды (луча) сигнала на каждой элементарной частотной позиции в полосе приема.

Для этого из элементов АР выбирается базовая тройка АЭ - три соседних АЭ, не лежащих на одной прямой и наиболее близких друг к другу. Затем выполняется перебор вариантов возможных полных фаз для базовой тройки с учетом условия, что получающиеся набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2 L/ .

Для каждого варианта полных фаз базовой тройки АЭ восстанавливается трехмерный волновой вектор сигнала k=(k_x,k_y,k_z)^T и углы прихода сигнала - пеленг и угол места

где ₁=( ₁- ₂)(x₂-x₁);

₂=( ₁- ₃)(x₃-x₁);

₃=(x₂-x₁)^T(x ₂-x₁);

₄=(x₃-x₂)^T(x ₃-x₁);

e - вектор в плоскости антенной решетки ( - его норма);

n - единичный вектор нормали к плоскости АР;

x_i - трехмерный вектор пространственных координат для i-го АЭ;

_i - значение фазы для i-го АЭ.

Знаки в системе управлений (1) определяются с условием, чтобы k принадлежал нижней полусфере относительно поверхности земли (k_z 0).

Далее производится регенерация полных значений фаз на остальных (N-3) АЭ в соответствии с формулами

где [ _i] - измеренное в интервале [- , ] главное значение фазы на i-м АЭ;

- округление до целого значения;

_i=[ _i]-k^T( )x_i+2 ;

k( ) - значение волнового вектора, оцененное по измерениям на базовой тройке АЭ.

В случае N>3 AЭ имеется переопределенная относительно неизвестных (двумерного вектора углов прихода сигнала =( , ) и имеющего параметры ₀ - фазы сигнала в начале системы координат) система управлений измерений

где _i(i=1, ,N) - погрешность независимых равноточных измерений.

Переход к системе координат с началом в фазовом центре АР позволяет избавиться от мешающего параметра ₀. В этом случае оптимальной оценкой ₀, не зависящей от параметра , служит усредненное по АР значение измеренной фазы. При подстановке в систему (3) вместо измеренных фаз значения за вычетом усредненной фазы получится следующая система уравнений измерений:

Решение системы (4) методом наименьших квадратов представляется в виде

где

- квадратурная невязка фазовых измерений;

k( )=2 / (cos sin , cos , cos , sin )^T.

Плоская АР допускает неитерационное решение задачи оценки углов прихода по восстановленным полным значениям фаз на АР при помощи стандартных формул квадратичной оптимизации относительно измеренной проекции волнового вектора на плоскость АР

где , ; x₁, y₁ - координаты элементов АР.

Проекция волнового вектора на нормаль к плоскости АР восстанавливается по формуле

В том случае, когда модуль оценки волнового вектора по формуле (6) превысит значение 2 / , необходима дополнительная процедура одномерной оптимизации по при =0, которая может быть выполнена методом Ньютона как

с начальным приближением, рассчитанным из оценки (6).

Модуль вектора остаточной невязки фаз служит критерием однолучевости поля и, следовательно, применимости предлагаемого способа.

Таким образом, предлагаемый способ пеленгации источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне не требует затратного в вычислительном плане процесса итераций при сканировании по всем возможным углам прихода сигнала, в том числе за счет отражений от ионосферы различных по несущей частоте пакетов. Это позволяет при осуществлении приема плоской разреженной АР из N ненаправленных АЭ упростить процесс пеленгования, сократить за счет этого цикл измерений и в итоге повысить быстродействие при пеленговании коротких сигнальных посылок.

Вариант устройства для пеленгации сигналов, реализующего предлагаемый способ, приведен на фиг.1.

Устройство функционирует следующим образом.

Каждый пакет сигнала с ППРЧ поступает на ненаправленный АЭ 7 плоской разреженной АР 6. Пакеты селектируются по частоте РПУ 1, преобразуются в цифровую форму в АЦП 2 и подаются на модуль 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигнала.

Идентификация многочастотных сигналов осуществляется с помощью модуля 4, на который подаются сигналы с второго выхода каждого модуля 3. Модуль 4 позволяет существенно ослабить влияние помех за счет селекции пакетов по длительности и фиксации непрерывности передачи.

С первого выхода модуля 3 определения фазовых и временных параметров пакетов сигналов каждого канала сигнал подается на полнодоступную коммутационную матрицу 8, принцип работы которой - «любой вход с любым выходом» реализуется по командам модуля 14 управления.

Режим пеленгования осуществляется следующим образом. С помощью модуля 14 управления формируется базовая тройка АЭ 7. В базовой тройке АЭ 7 должны быть соседними, но не должны лежать на одной прямой (в случае АР 6 с произвольным размещением АЭ 7). Наиболее просто вопрос выбора базовой тройки решается для многоэлементных эквидистантных АР [6]. Например, в случае восьмиэлементной эквидистантной АР в конфигурации «звезда» (один АЭ размещается в центре, остальные семь - эквидистантно по кругу), в качестве элементов базовой тройки могут быть выбраны центральный АЭ и любые два соседние АЭ по кругу.

С первого выхода полнодоступной коммутационной матрицы 8 сигналы каналов базовой тройки подаются на модуль 9 определения вариантов полных фаз. Модуль 9 выполняет перебор вариантов возможных полных фаз для базовой тройки АЭ 7 с учетом условия, что набеги фаз по сторонам базового треугольника не должны превышать величину 2 / . Результирующие сигналы поступают на регенератор 10 трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, и далее - на модуль 12 остаточной квадратурной невязки фазовых измерений.

С второго выхода полнодоступной коммутационной матрицы 8 сигналы (N-3) каналов подаются на модуль 11 регенерации фаз и далее - на второй вход модуля 12 остаточной квадратичной невязки фазовых измерений. Модуль 12 в соответствии с выражением (5) определяет степень соответствия параметров определенного трехмерного волнового вектора фазовым измерениям по сигналам АЭ 7, не входящих в базовую тройку.

Параметры трехмерного волнового вектора и углов прихода сигналов по азимуту и углу места, имеющие минимальную невязку фазовых измерений, подаются на модуль 13 принятия решения в соответствии с порогом, установленным модулем 14 управления. Результат в виде параметров пеленга на источник сигналов с ППРЧ поступает на модуль 5 индикации и регистрации пеленгов.

Таким образом, устройство для пеленгации сигналов, реализующее предложенный способ, выполняет основную часть вычислительного процесса не для всех N АЭ 7, а только для АЭ базовой тройки. За счет этого объем вычислений многократно сокращается, а для некоторых вариантов АР с произвольным размещением АЭ становится возможным в реальном масштабе времени, что существенно повышает быстродействие при пеленговании коротких сигнальных посылок.

В качестве РПУ 1 устройства для пеленгации сигналов может быть использован, например, приемник прямого усиления [8, с.26, рис.1.6, б].

Допустимо использование и супергетеродинных приемников, например, описанного в патенте RU 2275746 [9], но в этом случае для супергетеродинного преобразования сигнала должен быть применен единый гетеродин для всех каналов приема.

В качестве полнодоступной коммутационной матрицы 8 может быть использован, например, аналог полнодоступного коммутатора ПДК-32/64 ТМБД 468643.001 разработки ОАО «НПК «ТРИСТАН»», имеющий независимую формулу коммутации «любой с любым».

Модули 5, 9-14 могут быть выполнены, например, на базе цифрового сигнального процессора Texas Instruments TMS 320C6416/6713, ПЛИС [10] и процессора 2 Xeon Quad Core 2,33 GHz, ОЗУ - 2 Гб.

Экспериментальная проверка предложенного способа пеленгации источников радиоизлучений с ППРЧ в KB диапазоне и устройства для его реализации производилась на частотах от 5 до 30 МГц и показала правильность и достаточность принятых технических решений. Оценка быстродействия осуществлялась путем измерения длительности вычислительного процесса предложенным способом (ПС) и для случая максимального правдоподобия (МП), учитывающего автономность результатов фазовых измерений на каждом АЭ 7 для двух конфигураций АР: восьмиэлементной эквидистантной АР типа «звезда» диаметром 102 м и 16-элементной АР (два концентрических кольца с эквидистантным расположением АЭ на каждом, малое - пять АЭ диаметра 70 м, большое - 11 АЭ диаметра 210 м).

Полученные данные приведены в таблице.

Таблица
Частота, МГц	5	10	15	20	25	30
МП, мс	47/111	109/244	207/389	293/712	584/1032	714/1425
ПС, мс	5/10	10/20	20/35	32/64	55/100	70/140

Графически оценка быстродействия для указанных случаев приведена на фиг.2.

Анализ экспериментальных данных показал, что предлагаемый способ позволяет в десятки раз повысить быстродействие при пеленговании источников радиосигналов с ППРЧ в KB диапазоне.

Источники информации

1. В.В.Цветков, В.П.Демин, А.И.Куприянов. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие. - М.: Изд-во МАИ, 1998 г.

2. Способ многоканальной пеленгации. Патент GB № 1392343, МПК G01S 3/74, 1974.

3. Способ определения координат источников радиоизлучений с ППРЧ. Авторское свидетельство № 0.303374, МПК G01S 1/08, зарегистрировано 01.11.1989.

4. Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Патент RU № 2096797, МПК G01S 3/14, G01S 3/74, опубл. 20.11.1997.

5. Дубровин А.В. Потенциальная точность измерения направления на излучатель для пеленгационных средств с кольцевыми антенными решетками. - Антенны, вып.2 (105), 2006.

6. Монзинго Т.У., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986.

7. Математический энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия», 1988.

8. Радиоприемные устройства. Под редакцией Н.Н.Фомина. - М.: Горячая линия. - Телеком. 2007.

9. Станция радиотехнической разведки. Патент RU 2275746, МПК G01S 7/28, G01S 13/32, опубл. 27.04.2006.

10. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2007.