ОДНОПУНКТОВЫЙ СПОСОБ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01S5/02 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначается для местоопределения из одного пункта наблюдения источников электромагнитного излучения искусственного и естественного происхождения (например, молниевых разрядов) в зоне от 100 до 1000 км и может быть использовано в метеорологии, в службе наблюдения за грозовой деятельностью, в морском транспорте и авиации.

Известен способ определения дальности до источника излучения, основанный на анализе отражений от ионосферы. Способ заключается в том, что регистрируют вертикальную электрическую компоненту поля в одной точке приема, определяют время задержки сигнала ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, определяют дальность до источника по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки, используя при этом известные геометрические зависимости между местоположениями приемника и источника на сфере. Однако функциональные возможности такого способа ограничены расстоянием около 200 км, так как на больших дальностях происходит наложение ионосферного отражения на сигнал земной волны и определение времени задержки крайне затруднительно. В настоящее время с развитием техники обработки сигналов стало возможным для разделения ионосферного отражения и земного сигнала использовать кепстральный метод и обратную фильтрацию. Однако эти оба метода разделения сигналов имеют низкую помехоустойчивость, поэтому определение времени задержки ионосферного отражения с их помощью не дает существенного выигрыша. Следовательно возможность определения дальности до источника описанным способом практически ограничена верхним пределом около 200 км.

Известный способ, выбранный в качестве прототипа, основан на определении из одного пункта пеленга и дальности до источника излучения по времени задержки ионосферного отражения t_зад относительно сигнала земной волны. В основе определения дальности лежит выражение
t_зад= -
(1) где R радиус земного шара;
С скорость света;
Н высота отражающего слоя ионосферы;
f угол между источником излучения и пунктом наблюдения относительно центра земного шара;
D дальность до источника вдоль поверхности земного шара.

Пеленг определяется амплитудным методом по горизонтальным компонентам магнитного поля с использованием двух взаимно перпендикулярных рамочных антенн. Таким образом, этот способ характеризуется следующей последовательностью операций: регистрируют вертикальную электрическую компоненту поля; регистрируют горизонтальную магнитную компоненту поля на две взаимно перпендикулярные вертикальные рамочные антенны; определяют время задержки сигнала вертикальной электрической компоненты поля ионосферного отражения относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны; определяют дальность до источника по высоте отражающего слоя ионосферы и по времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, используя выражение (1); определяют пеленг по двум сигналам рамочных антенн.

Недостаток прототипа заключается в том, что определение дальности ограничено расстоянием примерно 200-250 км. Это происходит из-за того, что время задержки ионосферного отражения определяется по сигналу вертикальной электрической компоненты поля, который на удалениях более 200-250 км накладывается на земной сигнал вертикальной электрической компоненты поля. В результате происходит суммирование двух сигналов, приземного и отраженного от ионосферы, что делает практически невозможным выделение ионосферного отражения и оценку его времени задержки.

Цель изобретения состоит в расширении диапазона расстояний при определении дальности за счет того, что время задержки ионосферного отражения оценивается по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля.

Эта достигается тем, что регистрируют вертикальную электрическую компоненту поля, регистрируют горизонтальную магнитную компоненту поля двумя взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, взаимно компенсируют сигналы земной волны, принятые рамочными антеннами, выделяют разностный сигнал продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения, время задержки ионосферного отражения определяют по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны, определяют дальность до источника электромагнитного излучения по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны. Кроме того, коэффициент пропорциональности К для выполнения взаимной компенсации двух сигналов рамочных антенн земной волны и пеленг Φ на источник излучения определяют по формулам:
K
Φ arctg (K) где R1(t), R2(t) сигналы взаимно перпендикулярных рамочных антенн;
<t_n, t_к >- интервал времени, соответствующий начальной части сигнала земной волны.

Таким образом, взаимная компенсация сигналов земной волны, принятых рамочными антеннами, выделение разностного сигнала продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения, а также то, что время задержки ионосферного отражения определяют по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны являются новыми отличительными от прототипа признаками, способствующими достижению поставленной цели. Если в прототипе для определения дальности регистрируется только электрическая вертикальная компонента поля, то в изобретении используются горизонтальная продольная магнитная и электрическая вертикальная компоненты совместно. Время задержки ионосферного отражения относительно земной волны определяется как разность времен приходов сигналов вертикальной электрической и продольной магнитной компонент поля.

На фиг. 1-3 показаны результаты экспериментальной проверки способа по трем источникам излучений различной удаленности; на фиг.4 пример технической реализации способа в виде конкретного устройства; на фиг.5 диаграмма, поясняющая работу устройства.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Регистрируют вертикальную электрическую компоненту поля. Регистрация проводится на вертикальную штыревую антенну. Пример зарегистрированных сигналов вертикальной электрической компоненты поля от источников излучения удаленных соответственно на 207, 494 и 740 км представлен на фиг.1а, 2а, 3а.

Затем регистрируют горизонтальную магнитную компоненту поля на две взаимно перпендикулярные рамочные антенны. Пример сигналов зарегистрированных взаимно перпендикулярными рамочными антеннами приведен на фиг.1б,в; 2б,в; 3б,в.

Взаимно компенсируют сигналы земной волны, принятые рамочными антеннами, выделяют разностный сигнал продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения. Один из вариантов осуществления компенсации заключается в реализации следующего логического правила:
Если l R1(t_n) l ≥l R2(t_n) l тогда (2)
P(t) R2(t)-K*R1(t), (3)
K
(4) где P(t) разностный сигнал продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения;
R1(t), R2(t) сигналы рамочных антенн;
<t_n, t_k> интервал времени, соответствующий начальным частям сигналов земной волны (см. фиг.1,б,в; 2,б,в; 3,б,в; 5,а);
К коэффициент пропорциональности, рассчитываемый по начальным частям сигналов рамочных антенн земной волны на интервале времени < t_n,t_k> фиг. 1б, в; 2б,в; 3б,в;
если l R1(tn) l < l R2(tn) l тогда (5)
P(t) R1(t)-K*R2(t), (6)
K
(7) Пример выделения разностного сигнала продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения представлен на фиг.1,г; 2,г; 3,г. Логическое правило (2), (5) компенсации сигналов необходимо для обеспечения круговой диаграммы направленности дальномера. Базовое выражение (4) для расчета коэффициента пропорциональности разработано по методу оптимального оценивания по критерию минимума среднего квадрата. Выражение (4) дает потенциально точные оценки и поэтому целесообразно для реализации. Устройство, представленное на фиг.4, работает по логическому правилу (2), (5).

Однако следует отметить, что логическое правило (2), (5) и выражения для коэффициента пропорциональности (4), (7) являются не единственным вариантом реализации операции выделения разностного сигнала, а поэтому носят рекомендательный характер. Например, круговую диаграмму компенсационного дальномера можно обеспечить не логическим правилом (2), (5), а с помощью еще одной дополнительной пары рамочных антенн. Коэффициент пропорциональности можно определять не по (4), (7), а, например, используя методы итерационного поиска целевых функций.

Время задержки ионосферного отражения определяют по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны. Определение времени задержки можно осуществлять различными известными методами, например кепстральным, обратной фильтрацией, пороговым, корреляционным или по нулевым переходам. В примере конкретного выполнения способа на фиг.4 приведено устройство, реализующее метод определения временной задержки по первому нулевому переходу.

Затем определяют дальность до источника электромагнитного излучения по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны. Дальность определяется по выражению (1) при высоте отражающего слоя ионосферы для дня 63 км и для ночи 85 км.

Определяют пеленг по двум сигналам рамочных антенн. Операция определения пеленга с использованием рамочных антенн известна и может осуществляться по различным методикам. Однако можно определять пеленг по следующему правилу:
если R1(t_n) ≥ R2(t_n) то (8)
Φ arctg(K); (9)
если l R1(t_n) l < l R2(t_n) l то (10)
Φ 90-arctg(K), (11) где К коэффициент пропорциональности, определяемый по выражениям (4) или (7) соответственно. Такое правило определения пеленга более предпочтительно, так как при этом используется аргумент К, уже найденный на предыдущих операциях. Поэтому никаких дополнительных действий для определения пеленга проводить не надо, что значительно упрощает техническую реализацию. Кроме того, такое правило дает оптимальную оценку пеленга и по точности не уступает другим способам рамочной пеленгации, так как аргумент К оценивался по процедуре (4), (7), являющейся потенциально точной.

Как пример технического осуществления способа, на фиг.4 представлена структурная схема устройства, для его осуществления. Устройство работает следующим образом. Сигналы, зарегистрированные двумя взаимно перпендикулярными рамочными антеннами 1, 2 и электрической штыревой антенной 3, поступают на входные частотно полосовые фильтры 4, 5, 6, обеспечивающие полосу приема от 1 до 60 кГц. Для обеспечения идентичности форм сигналов электрической и магнитной компонент поля сигнал штыревой антенны после фильтра 6 поступает на дифференциатор 7, который дифференцирует сигнал. Запуск устройства осуществляется по порогу блоком 8 в момент времени t_пкогда сигнал с выхода дифференциатора 7 превышает установленный порог ±П1, фиг.5а. В момент времени t_n блок 8 вырабатывает однополярный импульс запуска (см. фиг.5б), который запускает синхронизатор 9 и блок 11.

В блоке сравнения амплитуд сигналов рамочных антенн 11 реализуется логическое правило (2), (5), в соответствии с которым в момент времени t_n происходит сравнение по модулю мгновенных амплитуд сигналов R1(t_n), R2(t_n). Полученный в результате сравнения управляющий сигнал с выхода блока 11 поступает на входы блоков 10, 12, 13. Назначение управляющего сигнала заключается в том, что он выбирает конкретную процедуру определения для коэффициента пропорциональности К в блоке 10 по (4) или (7); разностного сигнала P(t) продольной магнитной компоненты ионосферного отражения в компенсаторе 12 по (3) или (6); пеленга в вычислителе 13 по (9) или (11). Определение коэффициента пропорциональности К в блоке 10 начинается сразу после поступления на его вход управляющего импульса с выхода блока 11, а заканчивается в момент t_k с приходом из синхронизатора 9 импульса, задержанного на t_з1 10 мкс относительно момента времени t_n (см. фиг.5в). Таким образом расчет коэффициента пропорциональности осуществляется по участку фронта t_n, t_k начальных частей сигналов рамочных антенн (см. фиг.5,а; 1,б,в; 2,б,в; 3,б,в), где присутствует только земная волна.

Импульс, задержанный на t_з1 10 мкс (см. фиг.5,в) из синхронизатора 9 одновременно с коэффициентом пропорциональности из блока 10 поступают в пеленгатор 27. Импульс из синхронизатора 9 является командой, дающей разрешение пеленгатору 27 рассчитывать пеленг по процедуре (9) или (11), которая уже заранее выбрана управляющим сигналом из блока 11. Пеленгатор 27 состоит из определителя полярностей сигналов 14 и вычислителя пеленга 13. В определители полярностей 14, в момент прихода импульса из синхронизатора 9 (см. фиг. 5в), оцениваются полярности сигналов магнитных рамочных и электрической антенн. Информация о полярностях сигналов из блока 14 поступает в вычислитель пеленга 13 и необходима для определения стороны прихода волны. В вычислителе пеленга 13 определяется пеленг по коэффициенту пропорциональности К, значение которого поступило из блока 10.

Значение коэффициента пропорциональности К из блока 10 также поступает на компенсатор 12, где происходит выделение разностного сигнала P(t) (см. фиг. 5, е) продольной магнитной компоненты ионосферного отражения путем взаимной компенсации двух сигналов рамочных антенн земной волны по процедуре, выбранной заранее управляющим сигналом из блока 11. Сигналы рамочных антенн поступают в компенсатор 12 из блока линий задержек 15. В блоке 15 происходит задержка сигналов рамочных и штыревой антенн на время равное, примерно t_лз 30 мкс, необходимое для срабатывания блока запуска 8 и блока расчета коэффициента пропорциональности 10. Такое время задержки является предварительной оценкой и может быть уточнено в процессе опытной эксплуатации устройства.

Сигнал электрической штыревой антенны из блока линий задержек 15 поступает на блок выделения нулевых переходов 16. В устройстве используется принцип определения начала сигнала по первому нулевому переходу. Для сигнала земной волны этот принцип имеет следующую реализацию. Импульсы, соответствующие нулевым переходам сигнала электрической штыревой антенны, с выхода блока 16 (см.фиг.5г) поступают через открытый ключ 17 на генератор линейно изменяющегося напряжения 22. Амплитуда напряжения на выходе генератора 22 (см. фиг.5,д) увеличивается по линейному закону прямо пропорционально текущему времени и, следовательно, однозначно соответствует времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны. С приходом импульса нулевого перехода в генераторе 22 происходит принудительное окончание предыдущего цикла его работы и, одновременно, начинается новый период нарастания линейно изменяющегося напряжения (см. фиг.5,д). Таким образом при поступлении в генератор 22 импульса нулевого перехода, соответствующего времени начала t3нач

сигнала электрической антенны земной волны (см. фиг.5,а,г) начинается новое нарастание линейно изменяющегося напряжения (см. фиг.5,д), амплитуда которого увеличивается прямо пропорционально времени задержки ионосферного отражения. Для предотвращения после момента времени t3нач срыва нарастания линейно изменяющегося напряжения последующим импульсом нулевого перехода ключ 17 закрывается сигналом с выхода синхронизатора 9, задержанным на t_з2 30 мкс относительно t_n.

Выделение разностного сигнала P(t) продольной магнитной компоненты ионосферного отражения осуществляется в компенсаторе 12 (см. фиг.5,е) по процедуре (3) или (6), предварительно выбранной управляющим сигналом из блока 11. Фиксация времени прихода ионосферного отражения происходит по его первому нулевому переходу. Для этого разностный сигнал P(t) из компенсатора 12 поступает на блок выделения нулевых переходов 24 (см. фиг.5,ж). Импульсы нулевых переходов с выхода блока 24 проходят на вычислитель дальности 23, который в момент прихода импульса нулевого перехода принимает выходное текущее напряжение из генератора 22 и по нему рассчитывает дальность до источника согласно процедуре (1). Прием напряжения из генератора 22 и расчет дальности в вычислителе 23 происходит аналогично и в момент времени t_инач прихода импульса нулевого перехода, соответствующего началу разностного сигнала P(t) ионосферного отражения (см. фиг.5,е,ж). Однако вычисленное значение дальности пока не отображается на индикаторе пеленга и дальности 25 ввиду отсутствия импульса разрешения, который должен поступить из порогового блока 21.

Импульс разрешения для индикации дальности и пеленга из порогового блока 21 поступает в том случае, если обнаружен фронт разностного сигнала P(t) ионосферного отражения (см. фиг.5,е). Обнаружение фронта происходит в момент превышения разностным сигналом P(t) порога ±П2 и реализовано следующим образом. Порог ±П2 устанавливается и периодически обновляется в определителе максимума 19 и умножителе 20. Определитель максимума 19 находит и запоминает максимум разностного сигнала на интервале t_з, t_k, расположенном перед ионосферным отражением (см. фиг.5е). По команде, поступившей из синхронизатора 9 и имеющей задержку на время t_з3=40 мкс относительно момента t_n, значение максимума из блока 19 поступает в умножитель 20, где оно умножается на два. Таким образом в умножители 20 окончательно формируется порог ±П2 для обнаружения фронта разностного сигнала P(t) ионосферного отражения (см.фиг.5е). Одновременно команда с выхода синхронизатора 9 замыкает ключ 18, через который разностный сигнал P(t) приходит на первый вход порогового блока 21 для сравнения с уровнем порога ±П2 (см. фиг.5,е), поступившим на второй вход блока 21 из умножителя 20. В момент времени превышения разностным сигналом P(t) порога ±П2 пороговый блок 21 вырабатывает импульс (см. фиг.5,з), который поступает на индикатор дальности и пеленга 25. К этому времени вычислитель дальности 23 уже рассчитает дальность по команде импульса первого нулевого перехода ионосферного отражения P(t) (см. фиг.5,е,ж, момент времени t_инач). В результате на индикаторе 25 фиксируются дальность и пеленг, поступившие из дальномера 26 и пеленгатора 27.

Одновременно импульс из блока 21 приводит в исходное состояние устройство в целом, т.е. обнуляет определитель максимума 19, размыкает ключ 18, замыкает ключ 17.

Экспериментальные исследования предложенного способа однопунктового местоопределения источника электромагнитного излучения по ионосферным отражениям показали, что по сравнению с аналогичными методами он обеспечивает надежное разделение сигналов ионосферного отражения и земной волны и за счет этого позволяет расширить зону определения дальности по сравнению с прототипом примерно, в 5 раз. Таким образом, рабочая зона предлагаемого способа составляет от 100 до 1000 км, при этом максимальная ошибка дальнометрии 5.8% а среднеквадратическая ошибка пеленгации 1.1,5 градуса.

Использование: метеорология, морской транспорт, авиация, наблюдение за грозовой деятельностью в зоне от 100 до 1000 км. Сущность изобретения: определение пеленга по сигналам, принятым взаимно перпендикулярно рамочной антенной, определение дальности до источника по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны путем компенсации сигналов земной волны, принятых рамочными антеннами, выделение разностного сигнала продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения и определение времени задержки ионосферного отражения по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны. Положительный эффект - расширение диапазона расстояний примерно в 5 раз по сравнению с прототипом. 5 ил.

1. ОДНОПУНКТОВЫЙ СПОСОБ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на регистрации вертикальной электрической компоненты поля, регистрации горизонтальной магнитной компоненты поля двумя взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, определении дальности до источника электромагнитного излучения по высоте отражающего слоя ионосферы и времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, отличающийся тем, что взаимно компенсируют сигналы земной волны, принятые рамочными антеннами, выделяют разностный сигнал продольной магнитной компоненты поля ионосферного отражения, а время задержки ионосферного отражения определяют по разностному сигналу продольной магнитной компоненты поля относительно сигнала вертикальной электрической компоненты поля земной волны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент пропорциональности K для выполнения взаимной компенсации двух сигналов рамочных антенн земной волны, а также пеленг на источник излучения определяют по формулам

Φ = arctg (K),
где R₁ (t), R₂ (t) - сигналы взаимно перпендикулярных рамочных антенн;
< t_n, t_k > - интервал времени, соответствующий начальной части сигнала земной волны.