РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G01S3/46 

Данное предложение относится к области радиотехники и может быть использовано в пеленгационных комплексах для определения азимута источника радиоизлучения (ИРИ).

Современные системы определения направления на ИРИ построены с использованием известных способов пеленгования: амплитудного (метод максимума, метод минимума, метод сравнения и др.), фазового, частотного и временного.

Известны способы и устройства пеленгования [1-5, 10-19 и другие].

Так, например, известен ряд способов пеленгования, основанных на том, что фазовые соотношения между сигналами, принимаемыми в пространственно разнесенных точках, можно преобразовать в амплитудную зависимость суммы принятых сигналов от местоположения ИРИ.

Наиболее очевидным и широко применяемым является амплитудный способ пеленгования, при котором используется антенная система, имеющая диаграмму направленности с ярко выраженным максимумом. За счет механического изменения положения (ориентации) антенны осуществляется сканирование пространства, в результате чего определяется положение антенны, при котором выходной сигнал антенны имеет максимальную амплитуду, а направление, совпадающее с максимумом диаграммы направленности антенны, принимается за направление на ИРИ.

Этот способ пеленгования можно рассматривать как вырожденный случай разностно-дальномерного способа, когда за счет механического перемещения антенной системы подбирается такое ее положение, чтобы разности дальностей от ИРИ до симметричных точек антенны были ровны нулю (а следовательно, и разности фаз сигналов, приходящих в эти точки, были равны нулю). Синфазное сложение сигналов, пришедших по различным траекториям, обеспечивает максимум энергии в точке приема.

Основным недостатком такого способа является необходимость механического перемещения антенной системы или, по крайней мере, ее отдельных элементов (например, облучателя).

Известен также способ пеленгования на основе измерения разности времен приема сигналов от ИРИ двумя разнесенными антеннами [например, 6]. При отклонении положения ИРИ от перпендикуляра к центру базы возникает разность хода сигналов Δr = r₁-r₂ (r₁ и r₂ - расстояния от ИРИ до первой и второй антенн соответственно). Относительное запаздывание τ сигналов, вследствие постоянства скорости и прямолинейности распространения радиоволн, пропорционально разности хода:

Значение азимута α ИРИ вычисляется по формуле

где d - расстояние между антеннами, при этом

где r=min(r₁,r₂).

В общем случае, системы, использующие рассмотренный принцип, являются разностно-дальномерными, однако при больших удалениях ИРИ от центра базы, когда расстояние до ИРИ существенно превышает размер базы, гиперболические линии положения, свойственные разностно-дальномерному способу, в дальней зоне практически совпадают с их асимптотами, исходящими в виде лучей из центра базы. В этом случае разностно-дальномерные системы допустимо считать угломерными.

Пеленгование возможно также произвести на основе измерения доплеровского смещения частоты Δf_∂ [см., например, 7]. Поскольку

где λ - длина волны сигнала ИРИ,
v_r - радиальная скорость ИРИ относительно приемной антенны,
то, измеряя Δf_∂ на предельно малом интервале, можно получить вариант частотного способа, именуемый доплеровским дифференциальным, который позволяет определить значение углового параметра местоопределения α:

где v - скорость движения ИРИ в системе координат, начало которой совпадает с точкой расположения приемной антенны.

Такой подход к измерению угла основан на допущении о том, что при малых измерительных базах ("малых" по сравнению с расстоянием до лоцируемого объекта) гиперболическая поверхность положения асимптотически стремится к конической, форма которой в свою очередь однозначно описывается точкой вершины и углом при основании.

Основными недостатками перечисленных способов является возможность пеленгования ИРИ только в дальней зоне, т.е. при выполнении условия
r>>d, (1)
где r - расстояние до ИРИ,
d - длина измерительной базы.

Выполнение данного условия позволяет принять допущение о плоскости фронта распространения электромагнитной волны.

Известно, что точность определения пеленга ИРИ зависит от величины отношения размера измерительной базы к величине дальности до ИРИ (зависимость характеризуется выражением, учитывающим нижнюю границу Крамера-Рао [6]). Однако значительное увеличение размера измерительной базы приводит к росту систематической погрешности пеленгования, обусловленной сферичностью фронта электромагнитной волны. Величина ошибки пеленгования при значениях дальности r<10d может достигать десяти и более процентов от значения угловой координаты ИРИ. Зависимость ошибки пеленгования представлена на фиг.1.

Из известных способов пеленгования наиболее близким к предлагаемому является способ [6] , основанный на измерении разностей фаз сигнала ИРИ, принимаемого тремя антеннами, образующими две пары ортогональных измерительных баз (см. фиг.2), и вычислении значения угла α азимута на ИРИ с использованием выражения

где Δϕ_ij - разности фаз сигнала ИРИ, принимаемого i и j антеннами,
d_ij - размер измерительной базы, образуемой i и j антеннами,
при этом должно выполнятся условие (λ - длина волны сигнала ИРИ). Данный способ выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является повышение точности пеленгования и расширение функциональных возможностей пеленгатора (снятие ограничения, описываемого выражением (1)) путем учета сферичности фронта распространения электромагнитной волны.

Поставленная цель достигается тем, что в способе пеленгования ИРИ, основанном на приеме его сигнала тремя антеннами, образующими две пары равных ортогональных измерительных баз (см. фиг.3), осуществляют измерение разностей времен прихода сигнала ИРИ на антенны, вычисляют:
значение угла γ азимута ИРИ с использованием выражения

где Δt_AC, Δt_BC - разности времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими пары А, С и В, С соответственно,
координаты (х_f, у_f) точки F, принадлежащей линии пеленга ИРИ, с использованием выражений


где Δr_AC = Δt_AC•c, Δr_BC = Δt_BC•c - разности дальностей от ИРИ до пар точек А, С и В, С соответственно,
отображают результат.

Предлагаемый способ предполагает выполнение следующих операций:
- располагают три антенны в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника ΔAВС;
- принимают сигнал ИРИ на все три антенны,
- измеряют разности времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими ортогональные базы;
- вычисляют значения суммы и разности разностей времен приема сигнала ИРИ;
- вычисляют значение отношения суммы разностей времен приема сигнала ИРИ к разности разностей времен приема сигнала ИРИ;
- вычисляют значение функции arctan(х), в качестве аргумента которой принимается результат предыдущей операции;
- вычисляют значение координат точки, принадлежащей линии положения ИРИ;
- отображают подученные результаты.

На фиг.4 приведен вариант устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство состоит из трех функционально связанных элементов:
- антенной системы, содержащей три антенны 1, 2 и 3;
- системы измерения, содержащей блоки 4 и 5, предназначенные для измерения разностей времен приема сигнала ИРИ парами антенн (1, 2) и (2, 3);
- системы обработки и отображения, содержащей вычислительные блоки 6-8 и блок 9, осуществляющий визуализацию результатов.

Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Антенны 1, 2 и 3 располагают в трех точках трехмерного пространства А, В, С, имеющих координаты (x_A, y_A, z_A), (х_В, y_В, z_B) и (х_С, y_C, z_C) соответственно.

Для удобства и наглядности дальнейшего изложения предположим, что точка расположения ИРИ совладает с некоторой точкой D, имеющей координаты x, y, z. Обозначим разности расстояний от нее до точек А и В через Δr_AB, а разность расстояний до точек А и С через Δr_AC.

Введем в рассмотрение систему координат Охуz, заданную таким образом, чтобы ее начало совпадало с серединой отрезка АВ, ось Ох была коллинеарна вектору , а плоскость хОу совпадала с плоскостью АВС (фиг.5). Тогда координаты точек А, В и С в системе Охуz соответственно равны
х_А=-a; y_A=0; z_A=0;
х_В=a; y_B=0; z_B=0;
х_C=0; y_C=a; z_C=0,
где a = |AB|/2,
и, следовательно, можно записать

Возведя в квадрат правую и левую части уравнения (2), получим

а следовательно,

Если раскрыть скобки в левой части и произвести упрощения, то уравнение (3) примет вид канонического уравнения двуполостного гиперболоида вращения:

где

Таким образом, из приведенных выше рассуждений следует, что точка D принадлежит поверхности, описываемой уравнением (4) (см. фиг.6).

Однако следует учитывать, что при возведении в квадрат уравнения (2) произошла потеря знака значения разности дальностей Δr_AB, поэтому реально точка D
может принадлежать только одной ветви гиперболоида в соответствии с системой условий

Аналогично, введя в рассмотрение систему координат О'x'у'z', начало которой совпадает с серединой отрезка АС, ось О'х' коллинеарна полупрямой АС, а плоскость x'O'y' совпадает с плоскостью ОхуzO', можно получить, что точка D принадлежит поверхности, описываемой уравнением

где
х', у', z' - координаты точки D в системе координат О'х'у'z';
b = |AC|/2.

Поскольку точка D принадлежит одновременно двум поверхностям, следовательно, она принадлежит линии пересечения этих поверхностей.

Поскольку плоскости хОу и x'О'y' совпадают, то уравнение (7) в системе координат Oxyz можно получить, произведя замену переменных в соответствии с известными выражениями [8]:
x′ = (x-x₀)cosα+(y-y₀)sinα,
y′ = -(x-x₀)sinα+(y-y₀)cosα,
где х₀, у₀ - координаты точки О'х' системе координат Oxyz;
α - угол между координатными осями Ох и O'x' (см. фиг.7).

В результате такого преобразования уравнение (7) примет вид
х²а₂+у²b₂+хус₂+хd₂+уе₂+f₂=z², (9)
где

Если рассмотреть разность разностей расстояний от точки D до пар точек А, В и А, С, то очевидно, что

то есть разность разностей расстояний от точки D до пар точек А, В и А, С равна разности расстояний от точки D до пары точек С, В. Из чего следует, что точка D также принадлежит и третьей поверхности, описываемой уравнением
х²a₃+у²b₃+xyc₃+xd₃+уe₃+f₃=z², (11)
где


d₃=a;
e₃=a;

Таким образом, местоположение точки D в системе координат Oxyz определяется системой уравнений

где
Система уравнений (12) связывает неизвестные значения координат точки D с известными координатами точек А, В, С и значениями разностей дальностей Δr_AB, Δr_AC и Δr_BC. Однако, ввиду наличия функциональной взаимосвязи между входящими в систему уравнениями, данная система имеет бесконечное множество решений. В состав множества решений будут входить векторы координат всех точек пересечения поверхностей положения точки D, описываемых входящими в систему (12) уравнениями.

Найдем уравнение пространственной линии, содержащей все точки, координаты которых являются корнями системы уравнений (12). Для этого рассмотрим сечение поверхностей положения точки D плоскостью, описываемой уравнением z= z_s=const.

Для произвольного значения z_s можно записать

где f'₁=f₁-z² _s; f'₂=f₂-z² _s; f'₃=f₃-z² _s. (15)
Входящие в систему (14) уравнения являются уравнениями гипербол. Таким образом, решить систему уравнений (14) - это значит найти координаты точек пересечения трех гипербол, описываемых входящими в систему уравнениями.

С целью нахождения решений системы (14) приведем ее к виду

где d₁₅=(a₁(b₂d₃-b₃d₂)-b₁(a₂d₃-a₃d₂))/G;
e₁₅=(a₁(b₂e₃-b₃e₂)-b₁(a₂e₃-a₃e₂))/G;
f₁₅=(a₁(b₂f₃-b₃f₂)-b₁(a₂f₃-a₃f₂)+f₁(a₂b₃-a₃b₂))/G; d₂₆=-a₁(c₂d₃-c₃d₂)/G;
e₂₆=-a₁(c₂e₃-c₃e₂)/G;
f₂₆=(-a₁(c₂f₃-c₃f₂)-f₁(a₂c₃-a₃c₂))/G;
d₃₆=b₁(c₂d₃-c₃d₂)/G;
e₃₆=b₁(c₂e₃-c₃e₂)/G;
f₃₆=(b₁(c₂f₃-c₃f₂)+f₁(b₂c₃-b₃c₂))/G;
G=a₁(b₂c₃-b₃c₂)-b₁(a₂c₃-a₃c₂).

Из первого уравнения системы (16) следует, что

Поэтому систему уравнений (16) можно представить в виде

где А₁=d₂₆;
B₁=d² ₁₅+2d₂₆e₁₅-d₁₅e₂₆+f₂₆;
C₁=2d₁₅f₁₅+e² ₁₅d₂₆-f₁₅e₂₆-d₁₅e₁₅e₂₆+2e₁₅f₂₆;
D₁=f² ₁₅-f₁₅e₁₅e₂₆+2e² ₁₅f₂₆;
B₂=e₁₅+d₃₆;
C₂=d₃₆e₁₅-d₁₅e₃₆+f₃₆;
D₂=e₁₅f₃₆-e₃₆f₁₅,
или эквивалентно

Решениями квадратного уравнения системы (18) являются два значения переменной х, определяемые общеизвестными выражениями:


где а, b, с - коэффициенты квaдрamoгo уравнения для данного конкретного случая, равные:


Если ввести обозначения

и

то частное разности переменных у₁ и у₂ и разности корней квадратного уравнения х₁ и х₂ определяется выражением

а суммы переменных y₁, y₂ и корней квадратного уравнения х₁, х₂ определяются выражениями

Полученный результат может быть интерпретирован следующим образом: поскольку значение отношения (19) не зависит от значения переменной z, следовательно, с учетом (20) все точки, координаты которых являются решениями системы
уравнений (12), лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости хОу, пересекающей ось Ох под углом

и проходящей через точку с координатами

Поскольку Δr_BC = Δr_AC-Δr_AB, то уравнение (21) можно представить в виде

Полученный результат означает, что отношение суммы и разности разностей дальностей от двух пар опорных точек до искомой точки расположения ИРИ определяет направление (угол γ) на источник радиоизлучения, расположенный на произвольной высоте h над плоскостью АВС (см. фиг.8).

Если для измерения разностей дальностей Δr_AC и Δr_BC использовать измерители разностей времен сигнала ИРИ, приходящего в точки А, В и С, то уравнение (22) можно переписать в виде

где Δt_AC, Δt_BC - разности времен приема сигнала ИРИ в точках А и С и В и С соответственно,
с - скорость распространения радиосигнала.

В состав заявляемого устройства входят антенны 1, 2 и 3, измерители разности времен 4 и 5, блок вычитания 6, блок суммирования 7, блок анализа 8, блок индикации 9.

Выходы антенн 1 и 2 соединены с первыми входами измерителей разности времен 4 и 5, на вторые входы которых подается сигнал с выхода антенны 3. Выход измерителя разности времен 4 подключается к первым входам блока вычитания 6 и блока суммирования 7, а выход измерителя разности времен 5 подключается ко вторым входам блока вычитания 6 и блока суммирования 7. На входы блока анализа поступают сигналы с выходов измерителей разности времен 4 и 5, блока вычитания 6 и блока суммирования 7. Выход блока анализа подключен ко входу блока индикации.

Антенны 1, 2 и 3 располагают в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника ΔАВС соответственно.

Сигнал ИРИ, принятый антеннами 1, 2 и 3, на их выходах имеет вид
u₁(t) = U(t)cos(ω₀t+ϕ₀),
u₂(t) = U(t+Δt₂₁)cos[ω₀(t+Δt₂₁)+ϕ₀],
u₃(t) = U(t+Δt₃₁)cos[ω₀(t+Δt₃₁)+ϕ₀],
соответственно.

Сигналы с выходов антенн 1 и 3 поступают на первый и второй входы измерителя разности времен 4 соответственно, аналогично сигналы с выходов антенн 2 и 3 поступают на первый и второй входы измерителя разности времен 5 соответственно. Измерители разности времен 4 и 5 осуществляют операцию измерения разностей времен Δt₁₃ и Δt₂₃ прихода сигнала ИРИ на пары антенн (1, 3) и (2, 3). При этом
Δt_ij = t_i-t_j,
где t_k - время прихода сигнала ИРИ на k-ую антенну,
Δt_nm - разность времен прихода сигнала ИРИ на n-ую и m-ую антенны.

Измерители разности времен 4 и 5 реализуют один из известных [например, 9] способов измерения разности времен.

С выходов измерителей разностей времен 4 и 5 измеренные значения Δt₁₃ и Δt₂₃ поступают на блоки вычитания 6 и суммирования 7. Блок вычитания осуществляет операцию вычисления значения t_Δ разности разностей времен приема сигнала ИРИ; блок суммирования осуществляет операцию вычисления значения t_Σ суммы разностей времен приема сигнала ИРИ:
t_Σ = Δt₁₃+Δt₂₃,
t_Δ = Δt₁₃-Δt₂₃.
Вычисленные значения t_Δ и t_Σ с выходов блоков 6 и 7 поступают на первый и четвертый входы блока анализа 8, на второй и третий входы которого поступают значения разностей времен Δt₁₃ и Δt₂₃ с выходов измерителей разностей времен 4 и 5. Блок анализа 8 представляет собой специализированное вычислительное устройство, выполняющее следующие вычислительные операции:
- вычисляется значение отношения
- вычисляют значение γ угла места ИРИ с использованием выражения
γ=arcаn(w),
где в качестве аргумента используется результат предыдущей вычислительной операции;
- вычисляют значения х_f, у_f координат точки, принадлежащей линии положения ИРИ.

Вычисленные значения γ, х_f, у_f с выхода блока анализа поступают в блок индикации, который предназначен для визуализации результатов предлагаемого способа пеленгования.

Вариант отображения результатов пеленгования представлен на фигуре 9.

Таким образом, предлагаемые способ пеленгования и устройство для его реализации, по сравнению с прототипом, обеспечивают возможность определения азимута ИРИ при любых размерах измерительных баз пеленгатора и вариантах взаимного расположения ИРИ и антенн пеленгатора.

Кроме того, предлагаемый способ пеленгования ИРИ инвариантен к нестабильности несущий частоты и виду модуляции принимаемых сигналов. Тем самым функциональные возможности пеленгатора расширены.

Источники информации
1. Шебшаевич B. C. Введение в теорию космической навигации. - М.: Сов. радио, 1971. - 296 с.

2. Дулевич В.Е., Коростелев А.А., Мельник Ю.А. и др. Теоретические основы радиолокации./Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1964. - 732 с.

3. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов./Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Сов. радио, 1973. - 496 с.

5. Белоцерковский Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975. - 336 с.

6. Клименко Н.Н., Клименко С.В. Современное состояние теории и практики радиоинтерферометрии.//3арубежная радиоэлектроника, 1990. N 1. - С.3-14.

7. Международная космическая радиотехническая система обнаружения терпящих бедствие. /Под ред. В.С. Щебшаевича. - М.: Радио и связь, 1987. - 376 с.

8. Корн Г. , Корн М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984. - 832 с.

9. Wuu Chenn, Pearson Allan E. On time deley estimation involving received signals. /IEEE Trans. Acount., Speech and Signal Process., 1984, 32, N 4, C.828-835.

10. Радиопеленгационная система, использующая круглую антенную решетку. Патент США 4633257.

11. Пеленгатор: А.с. СССР 1555695 МКИ⁵ G 01 S 3/46. Дикарев В.И., Провоторов Г.Ф., Шерстобитов В.В.

12. Активная радиоинтерференционная система Патент Японии 57-51632.

13. Интерферометр. Патент ГДР 290308.

14. Способ и аппаратура для пеленгации и частoтнoй идентификации. Патент 4443801 США.

15. Одноточечная система определения местоположения. Патент 4819053 США.

16. Способ определения местоположения передатчика путем измерения разности времен задержек. Патент ГДР 274102.

17. Метод гиперболического определения места и устройство для его реализации. Патент ГДР 229866.

18. Радиопеленгатор. Патент Японии 57-51910.

19. Пеленгование источника радиоизлучении с помощью адаптивной антенной решетки. Патент США 4862180.

Изобретение используется в радиотехнике для определения азимута источника радиоизлучения (ИРИ) в широкобазовых пеленгационных комплексах. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности определения азимута ИРИ при любых размерах измерительных баз пеленгатора и вариантах взаимного расположения ИРИ и антенн пеленгатора. Способ пеленгования ИРИ основан на приеме его сигнала тремя антеннами, измерении двух разностей времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими ортогональные базы, последующей обработке результатов измерений с целью вычисления значений угла азимута ИРИ и координат точки, через которую проходит линия визирования ИРИ. Полученные результаты отображают в удобной для восприятия форме. Устройство, реализующее способ, содержит три антенны, размещенные в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, два измерителя разности времен приема сигнала, блоки вычитания, суммирования, анализа и индикации. Предложен вариант удобной для восприятия формы отображения результатов. 2 с.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ пеленгования источника радиоизлучения (ИРИ), основанный на приеме его сигнала тремя антеннами, образующими две пары равных ортогональных измерительных баз, отличающийся тем, что измеряют разности времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими ортогональные измерительные базы; вычисляют значения суммы и разности разностей времен приема сигнала ИРИ; вычисляют значение отношения суммы разностей времен приема сигнала ИРИ к разности разностей времен приема сигнала ИРИ; вычисляют значение функции arctan (w), в качестве аргумента которой принимается результат предыдущей операции; вычисляют значение координат точки, принадлежащей линии положения ИРИ; отображают полученные результаты. 2. Устройство для определения пеленга ИРИ, содержащее три антенны, размещенные в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, два измерителя разности времен приема сигнала, блоки вычитания, суммирования, анализа и индикации, отличающееся тем, что антенны 1 и 3, 3 и 2 образуют ортогональные измерительные базы, сигналы с выхода антенны 1 поступают на первый вход измерителя разности времен 4, сигналы с выхода антенны 2 поступают на первый вход измерителя разности времен 5, сигнал с выхода антенны 3 подается на вторые входы измерителей разности времен 4 и 5, выход измерителя разности времен 4 подключен к первым входам блока вычитания 6 и блока суммирования 7, а выход измерителя разности времен 5 подключен ко вторым входам блока вычитания 6 и блока суммирования 7, на входы блока анализа 8 поступают сигналы с выходов измерителей разности времен 4 и 5, блока вычитания 6 и блока суммирования 7, выход блока анализа подключен ко входу блока индикации.