РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G01S3/46 G01S11/02 

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, 10-20 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 равны 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 так же произвести на основе измерения доплеровского смещения частоты Δf_д [см., например, 7]. Поскольку

где λ - длина волны сигнала ИРИ,

ν_r - радиальная скорость ПРИ относительно приемной антенны,

то, измеряя Δf_д на предельно малом интервале, можно получить вариант частотного способа, именуемый доплеровским дифференциальным, который позволяет определить значение углового параметра местоопределения α:

где ν - 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,

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. Для снижения погрешности пеленгования используют пеленгационные устройства (например, [20]), в которых систематическая погрешность пеленгования сводится к минимуму за счет учета сферичности волнового фронта.

Из известных способов пеленгования наиболее близким к предлагаемому является способ [20], который предполагает выполнение следующих операций:

- располагают три антенны в вершинах треугольника ΔABC;

- принимают сигнал ИРИ на все три антенны;

- измеряют разности времен Δt_AC и Δt_BC приема сигнала ИРИ антеннами, размещаемыми в парах точек {А,С} и {В,С} соответственно;

- вычисляют значение γ азимута ИРИ с использованием выражения

- вычисляют значение координат точки F, принадлежащей линии положения ИРИ, с использованием выражений:

- отображают полученные результаты.

При этом треугольник ΔАВС, в вершинах которого располагают три антенны, обязательно должен быть прямоугольным равнобедренным, что не всегда удобно и/или возможно на практике при размещении антенн на местности.

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей пеленгатора за счет устранения ограничения на форму треугольника, в вершинах которого располагают антенны.

Поставленная цель достигается тем, что в способе пеленгования ИРИ, основанном на приеме его сигнала тремя антеннами, образующими две пары произвольных измерительных баз (см. фиг.1), осуществляют измерение разностей времен прихода сигнала ИРИ на антенны, вычисляют:

- значения разностей дальностей от ИРИ до пар точек {А,С} и {В,С} размещения антенн:

Δr_АС=Δt_АС·ν_ЭМВ, Δr_ВС=Δt_ВС·ν_ЭМВ,

где ν_ЭМВ - скорость распространения электромагнитной волны;

- значение угла γ азимута ИРИ с использованием выражения

где х_З=(b²-с²)/а,

- координаты {х_f,y_f} точки F, принадлежащей линии пеленга ИРИ, с использованием выражений:

где Δr_AB=Δr_AC-Δr_BC.

Предлагаемый способ предполагает выполнение следующих операций:

- располагают три антенны в вершинах треугольника ΔАВС;

- принимают сигнал ИРИ на все три антенны;

- измеряют разности времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими измерительные базы {А,С} и {В,С};

- вычисляют значения разностей дальностей Δr_AB, Δr_AC, Δr_BC;

- вычисляют значение угла γ азимута ИРИ;

- вычисляют значение координат точки, принадлежащей линии положения ИРИ;

- отображают полученные результаты.

На фиг.2 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;3} и {2;3};

- системы обработки и отображения, содержащей вычислительный блок 6 и блок 7, 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 и соответственно.

Для удобства и наглядности дальнейшего изложения предположим, что точка расположения ИРИ совпадает с некоторой точкой D, имеющей неизвестные координаты 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 Oxyz, заданную таким образом, чтобы ее начало совпадало с серединой отрезка АВ, ось Ох была коллинеарна вектору а плоскость хОу совпадала с плоскостью АВС (фиг.3). Тогда координаты точек А, В и С в системе Oxyz соответственно равны

x_A=-a; y_A=0; z_A=0;

x_B=а; y_B=0; z_B=0;

x_C=x₃; y_C=y₃; z_C=0;

где

x_З=(b²-c²)/a,

и, следовательно, можно записать

Возведя в квадрат правую и левую части уравнения (1), получим

а, следовательно,

Если раскрыть скобки в левой части и произвести упрощения, то уравнение (2) примет вид канонического уравнения двуполостного гиперболоида вращения

где

Таким образом, из приведенных выше рассуждений следует, что точка D принадлежит поверхности, описываемой уравнением (3) (см. фиг.4).

Однако следует учитывать, что при возведении в квадрат уравнения (1) 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'y'z', начало которой совпадает с серединой отрезка АС, ось O'х' коллинеарна полупрямой АС, а плоскость х'О'y' совпадает с плоскостью Oxyz, можно получить, что точка D принадлежит поверхности, описываемой уравнением

где

x',y',z' - координаты точки D в системе координат O'x'y'z'.

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

Поскольку плоскости хОу и х'О'y' совпадают, то уравнение (4) в системе координат Oxyz можно получить, произведя замену переменных в соответствии с известными выражениями [8]:

х'=(х-x₀)cosα+(y-y₀)sinα,

y'=-(х-x₀)sinα+(y-y₀)cosα,

где x₀, y₀ - координаты точки O'х' в системе координат Oxyz;

α - угол между координатными осями Ох и O'х' (см. фиг.5).

В результате такого преобразования уравнение (4) примет вид

a₂х²+b₂y²+с₂ху+d₂x+е₂y+f₂=z²,

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

а₃х²+b₃y²+с₃ху+d₃x+е₃y+f₃=z²,

где

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

где a₁=(2a/Δr_AB)²-1; b₁=-1; f₁=(Δr_AB/2)²-a².

Система уравнений (5) 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 (5) уравнениями.

Найдем уравнение пространственной линии, содержащей все точки, координаты которых являются корнями системы уравнений (5). Для этого рассмотрим сечение поверхностей положения точки D плоскостью, описываемой уравнением z=z_S=const.

Для произвольного значения z_S можно записать

где

Входящие в систему (6) уравнения являются уравнениями гипербол. Таким образом, решить систему уравнений (6) - значит найти координаты точек пересечения трех гипербол, описываемых входящими в систему уравнениями.

С целью нахождения решений системы (6) приведем ее к виду

где l₁=(a₁Δ_bd+Δ_ad)/K;

m₁=(a₁Δ_be+Δ_ae)/K;

n₁=(a₁Δ_bf+Δ_af+f₁Δ_ab)/K;

l₂=-a₁Δ_cd/K;

m₂=-a₁+Δ_ce/K;

n₂=-(a₁Δ_cf+f₁Δ_ac)/K;

l₃=-Δ_cd/K;

m₃=-Δ_ce/К;

n₃=(-Δ_cf+f₁Δ_bc)/K;

K=a₁Δ_bc+Δ_ac;

Из первого уравнения системы (7) следует, что

y=-(l₁x+n₁)/(x+m₁),

поэтому систему уравнений (7) можно представить в виде

где

B₂=m₁+l₃;

C₂=l₃m₁-l₁m₃+n₃;

D₂=m₁n₃-m₃n₁.

Решениями квадратного уравнения системы (8) являются два значения переменной х, определяемые общеизвестными выражениями:

где a,b,c - коэффициенты квадратного уравнения, для данного конкретного случая равные:

a=1;

Если ввести обозначения

y₁=-(l₁x₁+n₁)/(x₁+m₁) и y₂=-(l₁x₂+n₁)/(x₂+m₁),

то частное разности y₂ и y₁ и разности корней квадратного уравнения x₂ и x₁ определяется выражением

а суммы этих величин выражениями:

где

Полученный результат может быть интерпретирован следующим образом: поскольку значение отношения (9) не зависит от значения переменной z, следовательно, с учетом (10), все точки, координаты которых являются решениями системы уравнений (5), лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости хОу, пересекающей ось Ох под углом

и проходящей через точку с координатами

Полученный результат означает, что значения разностей дальностей от двух пар опорных точек до искомой точки расположения ИРИ определяют направление (угол γ) на источник радиоизлучения, расположенный на произвольной высоте h над плоскостью АВС (см. фиг.6).

В состав заявляемого устройства входят:

1) антенна;

2) антенна;

3) антенна;

4) измеритель разности времен;

5) измеритель разности времен;

6) вычислительный блок;

7) блок индикации.

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. Выходы измерителей разности времен 4 и 5 подключены к первому и второму входам вычислительного блока 6 соответственно. Выход вычислительного блока 6 подключен ко входу блока индикации.

Антенны 1, 2 и 3 располагают в вершинах 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-ю антенну,

Δt_nm - разность времен прихода сигнала ИРИ на n-ю и m-ю 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 соответственно на первый и второй входы вычислительного блока 6. Вычислительный блок 6 представляет собой специализированное вычислительное устройство, в котором последовательно выполняются следующие операции:

- вычисляются значения разностей дальностей Δr₁₃, Δr₂₃ и Δr₁₂ с использованием выражений

Δr₁₃=Δt₁₃·ν_ЭМВ, Δr₂₃=Δt₂₃·ν_ЭМВ, Δr₁₂=Δr₁₃-Δr₂₃.

- вычисляется значение γ угла места ИРИ с использованием выражения

- вычисляются значения x_f,y_f координат точки F, принадлежащей линии положения ИРИ, с использованием выражений:

Необходимые для проведения вычислений априорно известные значения:

- ν_ЭМВ - скорости распространения электромагнитной волны;

- а - половины расстояния между антеннами 1 и 2;

- x₃,y₃ - координат антенны 3 в системе координат Oxyz хранятся в памяти вычислительного блока 6.

Вычисленные значения γ,х_f,y_f с выхода вычислительного блока 6 поступают в блок индикации 7, который предназначен для визуализации результатов предлагаемого способа пеленгования.

С выходов измерителей разностей времен 4 и 5 измеренные значения Δt₁₃ и Δt₂₃ поступают соответственно на первый и второй входы вычислительного блока 6. Вычислительный блок 6 представляет собой специализированное вычислительное устройство, в котором последовательно выполняются следующие операции:

- вычисляются значения разностей дальностей Δr₁₃, Δr₂₃ и Δr₁₂ с использованием выражений

Δr₁₃=Δt₁₃·ν_ЭМВ, Δr₂₃=Δt₂₃·ν_ЭМВ, Δr₁₂=Δr₁₃-Δr₂₃.

- вычисляется значение γ азимута ИРИ с использованием выражения

- вычисляются значения х_f,y_f координат точки F, принадлежащей линии положения ИРИ, с использованием выражений:

Необходимые для проведения вычислений априорно известные значения:

- ν_ЭМВ - скорости распространения электромагнитной волны;

- а - половины расстояния между антеннами 1 и 2;

- х₃,y₃ - координат антенны 3 в системе координат Oxyz хранятся в памяти вычислительного блока 6.

Вычисленные значения γ,x_f,y_f с выхода вычислительного блока 6 поступают в блок индикации 7, который предназначен для визуализации результатов предлагаемого способа пеленгования.

Вариант отображения результатов пеленгования представлен на фиг.7.

Таким образом, предлагаемые способ пеленгования и устройство для его реализации, по сравнению с прототипом, обеспечивают возможность определения азимута ИРИ при произвольных вариантах взаимного расположения антенн пеленгатора. Тем самым функциональные возможности пеленгатора расширены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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//Зарубежная радиоэлектроника, 1990, N1. - С.3-14.

7. Международная космическая радиотехническая система обнаружения терпящих бедствие/Под ред. В.С.Шебшаевича. - 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, N4, C.828-835.

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

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

12. Активная радиоинтерференционная система Пат. 57-51632, Япония.

13. Интерферометр. Пат. 290308, ГДР.

14. Способ и аппаратура для пеленгации и частотной идентификации. Пат. 4443801, США.

15. Одноточечная система определения местоположения. Пат. 4819053, США.

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

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

18. Радиопеленгатор. Пат. 57-51910, Япония.

19. Пеленгование источника радиоизлучений с помощью адаптивной антенной решетки. Пат. 4862180, США.

20. Сайбель А.Г. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения и реализующее его устройство. Патент РФ № 2204145 от 10.05.2003.

Использование: определение азимута источника радиоизлучения (ИРИ) в широкобазовых пеленгационных комплексах. Сущность изобретения: измерение угла азимута ИРИ с высокой точностью за счет исключения методических погрешностей пеленгования, обусловленных линеаризованной моделью фронта распространения электромагнитной волны. В качестве поверхности положения ИРИ используется плоскость, содержащая линию положения ИРИ, представляющую собой пересечение двух гиперболических поверхностей положения, соответствующих разностно-временным измерениям. Способ пеленгования ИРИ основан на приеме его сигнала тремя антеннами, расположенными произвольно, измерении двух разностей времен приема сигнала ИРИ антеннами, образующими измерительные 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 произвольного треугольника, два измерителя разности времен приема сигнала, вычислительный блок и блок индикации. Выход общей антенны измерительных баз соединен со вторыми входами измерителей разности времен, на первые входы которых подаются сигналы с выходов остальных антенн, измеренные значения разностей времен поступают на входы вычислительного блока, который осуществляет вычисление значений угла азимута ИРИ и координат точки, через которую проходит линия визирования ИРИ. Полученные результаты с выхода вычислительного блока анализа поступают в блок индикации, предназначенный для их отображения. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей пеленгатора. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ пеленгования источника радиоизлучения, основанный на приеме его сигнала тремя антеннами; измерении разности времен приема сигнала источника радиоизлучения антеннами, образующими две измерительные базы; вычислении значений разностей дальностей от источника радиоизлучения до антенн, образующих измерительные базы; вычислении значения азимута источника радиоизлучения; вычислении значения координат точки, принадлежащей линии положения источника радиоизлучения; отображении полученных результатов, отличающийся тем, что располагают антенны произвольным образом.2. Устройство для определения пеленга источника радиоизлучения, содержащее три антенны, два измерителя разности времен приема сигнала, вычислительный блок и блок индикации, причем 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, отличающееся тем, что антенны размещены произвольным образом, выходы измерителей разности времени 4 и 5 подключены к первому и второму входам вычислительного блока 6, выход которого подключен ко входу блока индикации 7.