СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ И ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01S3/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для определения пеленга на источник априорно неизвестного сигнала.

Известен способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов пятиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решеткой, выполненной из ненаправленных антенн, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование радиосигналов двухканальным приемником, измерение разностей фаз между преобразованными сигналами, принятыми отдельными парами ненаправленных антенн, сравнение всех измеренных разностей фаз между преобразованными сигналами, по которым судят о значении пеленга (Заявка Великобритании №2140238, G 01 S 3/48, опубл. 1984 г.).

Недостатком способа является недостаточная точность пеленгации при низких отношениях сигнал/шум и невозможность получения информации об угле наклона фронта волны источника радиосигнала.

Известен способ пеленгации источника сигнала (см. Пат. RU №2192651, G 01 S 3/14, G 01 S 3/00, опубл. 05.10.2000 г.), включающий прием пеленгуемого сигнала элементами двух линейных эквидистантных антенных решеток, расположенных взаимно-перпендикулярно, вычисление пространственного спектра Фурье пеленгуемого сигнала, принятого элементами первой линейной эквидистантной антенной решетки и комплексно-сопряженного пространственного спектра Фурье пеленгуемого сигнала, принятого элементами второй линейной эквидистантной антенной решетки, преобразование масштабов обоих вычисленных пространственных спектров пеленгуемого сигнала по логарифмическому закону, корреляционный анализ и измерение относительного сдвига преобразованных пространственных спектров пеленгуемого сигнала и оценку угловых координат.

Недостатком способа является зависимость точности измерения пеленга от взаимной ориентации источника излучения и пеленгаторной системы пеленгатора, невозможность получения информации об угле наклона фронта волны радиосигнала β.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ пеленгации по Пат. RU №2144200, МПК7 G 01 S 3/14 Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Опубл. 1.10.2000 г. Он включает прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N антенных элементов, выполненных идентичными в количестве не менее трех и расположенных в плоскости пеленгования, измерение в каждом частотном поддиапазоне комплексных амплитуд пар сигналов, характеризующих фазы каждого радиосигнала, принимаемого в соответствующем частотном поддиапазоне одним из антенных элементов пары, выбранным в качестве сигнального, относительно фазы радиосигнала, принимаемом в том же частотном поддиапазоне другим из антенных элементов пары, выбранным в качестве опорного для всех используемых пар антенных элементов, формирование двухмерных угловых спектров каждого принимаемого в соответствующем частотном поддиапазоне радиосигнала по измеренным комплексным амплитудам пар сигналов для различных пар антенных элементов антенной решетки соответственно взаимному расположению этих антенных элементов в плоскости пеленгования, по которым судят об азимутах и углах места принятых радиосигналов.

Способ-прототип позволяет решить поставленную перед ним задачу - повысить точность пеленгования при сканировании в широком диапазоне частот и получить информацию об угле наклона фронта волны источника радиосигнала. Однако способу-прототипу присущ и недостаток - низкая точность пеленгования в сложной сигнально-помеховой обстановке. Способ-прототип не в полной мере использует информацию о поле пеленгуемого радиосигнала, заложенной в геометрии антенной системы. Кроме того, в данном способе точность пеленгования снижается из-за несинхронного подключения (через коммутатор) антенных элементов пары ко входам двухканального приемника.

Целью данного изобретения является разработка способа пеленгации радиосигнала, обеспечивающего повышение качества пеленгации. Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа - повышение точности пеленгации.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе пеленгации радиосигналов, включающем прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов, расположенных в плоскости пеленгования, последовательное преобразование принятых радиосигналов в высокочастотные электрические сигналы на промежуточной частоте с последующей их дискретизацией, измерение в каждом частотном поддиапазоне на совпадающих интервалах времени комплексных спектров пар сигналов для каждой пары антенных элементов, характеризующих фазы каждого радиосигнала, принимаемого в соответствующем частотном поддиапазоне одним из антенных элементов пары, выбранным в качестве сигнального относительно фазы радиосигнала, принимаемого в том же частотном поддиапазоне другим из антенных элементов пары, выбранным в качестве опорного, определение свертки комплексно-сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, путем преобразования Фурье определяют разности фаз радиосигналов для каждой пары антенных элементов и каждого частотного поддиапазона, запоминают полученные разности фаз радиосигналов, формируют и запоминают эталонный набор разностей фаз сигналов исходя из пространственного размещения антенных элементов антенной решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычитают из эталонной разности фаз сигналов соответствующие измеренные значения разностей фаз, полученные значения невязок возводят в квадрат и суммируют по всем парам антенных элементов и всем частотным поддиапазонам, запоминают полученные суммы, находящиеся в однозначном соответствии с направлениями прихода радиосигналов, определяют наиболее вероятное направление прихода радиосигнала по наименьшей сумме квадратов невязок. В качестве антенной системы используется антенная решетка с произвольным количеством антенных элементов N>2 и с согласованным с местными условиями вариантом их размещения на местности. При этом в антенной системе не используется опорный (центральный) антенный элемент, а в качестве последнего поочередно применяются антенные элементы антенной решетки.

В заявленных способе и устройстве понятия "опорный элемент" трактуется несколько иначе, чем в прототипе. Здесь под i-ым опорным элементом пары n_ij понимается антенный элемент решетки n_i, относительно которого измеряется значение фазы пеленгуемого сигнала во втором j-ом антенном элементе Δϕ_ij=ϕ_i(t)-ϕ_j(t). Полученная величина Δϕ_ij далее используется для определения искомых параметров θ и β.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что определяют разности фаз радиосигналов для каждой пары антенных элементов и каждого частотного поддиапазона, запоминают полученные разности фаз радиосигналов Δϕ_ij, i, j=1...N; i≠j; формируют и запоминают эталонный набор разностей фаз сигналов Δϕ_i,j,эm исходя из пространственного размещения антенных элементов антенной решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычитают из эталонных разностей фаз сигналов соответствующие измеренные значения разностей фаз, суммируют квадраты полученных значений невязок по всем парам антенных элементов и всем частотным поддиапазонам, запоминают полученные суммы, находящиеся в однозначном соответствии с направлениями прихода радиосигналов, определяют наиболее вероятное направление прихода радиосигнала по наименьшей сумме квадратов невязок, что позволяет достичь цели изобретения: повысить качество радиопеленгования.

Известен цифровой пеленгатор по Пат. RU №2115135, МПК 6 G 01 S 3/14, опубл. 7.10.1998 г, содержащий антенную систему, трехканальное приемное устройство, блок дискретного преобразования Фурье, аналого-цифровой преобразователь, три буферных накопителя, блок весовой обработки, блок вычисления пеленгов, блок опорных частот, блок управления, блок формирования ковариационной матрицы, блок матричной обработки и формирования весовых коэффициентов, блок вычисления пеленгов.

В данном пеленгаторе повышение точности достигается за счет выделения максимума составляющей спектра сигнала. Положительный эффект достигается за счет временного усреднения ковариационных матриц и применением метода Писаренко.

Недостатком данного цифрового пеленгатора является низкая его эффективность в сложной сигнально-помеховой обстановке.

Известен многоканальный пеленгатор по Пат. RU №2096793, G 01 S 3/14, опубл. 1997 г, содержащий антенную решетку, коммутатор, двухканальные: приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразователь Фурье, запоминающее устройство, вычислитель сверток, а также вычислитель пеленга и генератор синхросимпульсов.

К недостаткам данного аналога можно отнести низкую точность пеленгации при сканировании в широком диапазоне частот и отсутствие в результатах пеленгации информации об угле наклона фронта волны источника радиосигнала.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является многоканальный пеленгатор по Пат. RU №2144200, МПК 7 G 01 S 3/14, опубл. 1.10.2000 г.

Устройство-прототип состоит из антенной решетки, выполненной из N антенных элементов в количестве не менее трех, реализованных идентичными и расположенных в плоскости пеленгования, антенного коммутатора, изготовленного с N входами и с двумя выходами - опорным и сигнальным с возможностью последовательного во времени подключения в едином промежутке времени его любой пары входов соответственно к опорному и сигнальному выходам, причем выходы антенных элементов подсоединены к соответствующим входам антенного коммутатора, последовательно соединенных: приемника, блока определения комплексных амплитуд сигнала, вычислителя пеленга и генератора синхроимпульсов, выход которого подключен к управляющим входам антенного коммутатора и блока определения комплексных амплитуд сигнала и который выполнен с возможностью выдачи команд на управляющий вход антенного коммутатора для последовательного во времени подключения в едином промежутке времени его любой пары входов соответственно к опорному и сигнальному выходам.

Устройство прототип решает задачу повышения качества пеленгования и расширения его возможностей, а именно позволяет измерять угол места β радиосигнала. Технический результат, достигаемый в данном устройстве - повышение точности пеленгования.

Устройство-прототип также имеет недостатки:

- недостаточная точность пеленгования;

- значительные ограничения, заложенные в реализационные аспекты антенной решетки.

Целью изобретения является разработка пеленгатора, обеспечивающего более высокую точность пеленгования сигналов источников радиоизлучений и упрощение реализации антенной системы.

К основным причинам недостаточной точности пеленгования устройством-прототипом можно отнести следующие. Первая из них состоит в том, что операция измерения разностей фаз сигнала в антенных элементах пары осуществляется последовательно в три этапа. Первоначально к сигнальному выходу коммутатора подключается один антенный элемент пары, а к опорному выходу коммутатора - опорный элемент, не входящий в данную пару, после чего измеряется разность фаз сигнала. Далее подключается второй антенный элемент пары к сигнальному выходу коммутатора, а тот же самый опорный элемент к его опорному выходу с последующей операцией измерения разности фаз сигнала. На третьем этапе пересчитываются разности фаз сигнала между антенными элементами пары. За временной интервал между первым и вторым этапами измерений сигнально-помеховая обстановка и условия распространения радиосигнала изменяются, что приводит к ошибкам измерения разности фаз и, как следствие, - к ошибкам измерения θ и β. Кроме того, данная очередность выполнения операций приводит к дополнительным временным затратам, в следствие чего быстродействие пеленгатора падает. В качестве другой причины необоснованно заниженной точностью измерения пространственных параметров сигнала θ и β можно отнести то обстоятельство, что разности фаз Δϕ_i,j,изм измеряются не на всех возможных парах антенных элементов решетки, а только с повторяющимися базами. Это приводит к снижению набираемой статистики о поле, и, как следствие, - к снижению точности пеленгования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном пеленгаторе, состоящем из антенной решетки, выполненной из N антенных элементов, реализованных идентичными и расположенными в плоскости пеленгования, антенного коммутатора, изготовленного с N входами и с двумя выходами - сигнальным и опорным, причем выходы антенных элементов подсоединены к соответствующим входам антенного коммутатора, двухканального приемника, выполненного по схеме с общими гетеродинами, входы которого соединены соответственно с опорным и сигнальным выходами коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, выполненных двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналами и соединенных последовательно, причем опорный и сигнальный входы аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с опорным и сигнальным выходами промежуточной частоты двухканального приемника, первого запоминающего устройства, генератора синхроимпульсов, подсоединенного к управляющему входу коммутатора и синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, первого запоминающего устройства, и блока определения азимута и угла места, первый выход которого является азимутальной выходной шиной пеленгатора, а второй выход - угломестной выходной шиной пеленгатора, дополнительно введены блок формирования эталонных значений разностей фаз, второе и третье запоминающие устройства, блок вычисления разностей фаз, первый вход которого соединен с опорным выходом блока преобразования Фурье, сигнальный выход которого соединен со вторым входом блока вычисления разности фаз, информационные выходы которого соединены с информационными входами первого запоминающего устройства, информационные выходы которого соединены с группой входов вычитаемого блока вычитания, группа входов уменьшаемого которого соединена с информационными выходами второго запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с информационными выходами блока формирования эталонных значений разностей фаз, группа информационных входов которого является входной установочной шиной пеленгатора, а синхровход объединен с выходом генератора синхроимпульсов и синхровходами блока определения азимута и угла места, второго и третьего запоминающих устройств, сумматора, умножителя и блока вычитания, группа информационных выходов которого соединена с первой и второй группами информационных входов умножителя, информационные выходы которого соединены с информационными входами третьего запоминающего устройства, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока определения азимута и угла места. При этом используется антенная решетка с произвольным количеством антенных элементов N>2 и с согласованным с местными условиями вариантом их размещения на местности. Расстояния между антенными элементами ограничиваются требованиями, обусловленными используемым частотным диапазонам. В антенной решетке не используется опорный (центральный) антенный элемент, а в качестве последнего поочередно используются все антенные элементы антенной решетки.

Кроме того, антенный коммутатор выполнен с возможностью синхронного подключения очередной пары антенных элементов к сигнальному и опорному выходам коммутатора соответственно, а генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью подачи команды на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения следующих пар антенных элементов.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводятся новые операции, элементы и связи позволяет достичь цели изобретения: обеспечить более высокую точность пеленгования радиосигналов, понизить требования к структуре антенной решетки при сохранении заданных точностей измерения пеленга. Это стало возможным благодаря тому, что в предлагаемых способе и устройстве осуществляется одновременное (синхронное) измерение разности фаз сигнала в антенных элементах пары, а также более полно учитывается информация о поле сигнала.

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа пеленгации радиосигналов и пеленгатор для его осуществления отсутствуют и, следовательно, заявленный объект обладает свойством новизны. Исследование известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемых способа и устройства показало, что они не следуют явным образом из уровня техники, из которого не выявлена известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение указанного результата, что позволяет считать заявленный объект, соответствующим условию патентноспособности "изобретательский уровень". Заявленный способ и устройство поясняются чертежами, на которых:

на Фиг.1 представлена структурная схема пеленгатора;

на Фиг.2 - схема "случайного" расположения ненаправленных антенн антенной решетки в плоскости пеленгования;

на Фиг.3 - вариант реализации 16-элементной кольцевой антенной решетки, размещенной на мачте корабля;

на Фиг.4 - вариант реализации 16-элементной эллиптической антенной решетки, размещенной на мобильной базе;

на Фиг.5 - вариант реализации 32-элементной стационарной двухкольцевой антенной решетки;

на Фиг.6 представлены используемые для обработки пары АЭ

а) 8-элементной антенной решетки и полнодоступного антенного коммутатора;

б) 16-элементной АР при использовании неполнодоступного антенного коммутатора;

на Фиг.7 - алгоритм вычисления эталонных разностей фаз;

на Фиг.8 - график зависимости СКО пеленга от количества используемых пар антенных элементов.

Поскольку заявленный способ пеленгации радиосигналов реализуется в работе устройства, то подробное его описание приведено в разделе описания работы пеленгатора.

Пеленгатор (фиг.1) содержит антенную решетку (АР)1, выполненную из N антенных элементов в количестве более двух, расположенных в плоскости пеленгования (азимутальной плоскости). Антенный коммутатор (АК) 2 содержит N входов и два выхода, один из которых выбран опорным, а второй сигнальным. Выходы антенных элементов (АЭ) антенной решетки 1 подсоединены к соответствующим входам АК 2. Выходы коммутатора 2 соединены соответственно с двумя входами приемника 3, выполненного 2-х канальным с опорным и сигнальным каналами и с общими гетеродинами. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 и блок 5 преобразования Фурье выполнены 2-х канальными и соединены последовательно, причем опорный выход приемника 3 соединен с первым входом АЦП 4, второй вход которого соединен с сигнальным выходом приемника 3. Первое запоминающее устройство (ЗУ) 7 и генератор синхроимпульсов 8, выход которого подсоединен к управляющему входу АК 2 и к синхровходам АЦП 4, блоков 5 и 7, блок определения азимута и угла места 13, первый выход которого является азимутальной выходной шиной пеленгатора 14, а второй выход - угломестной выходной шиной пеленгатора 15.

Для дополнительного повышения точности пеленгования введены блок вычисления разности фаз (БВРФ) 6, блок вычитания 9, умножитель 10, сумматор 11, второе 16 и третье 12 запоминающие устройства, блок формирования эталонных значений разностей фаз (БФЭЗРФ) 17 и входная установочная шина 18. Причем входная установочная шина 18 соединена с группой информационных входов БФЭЗРФ 17, информационные выходы которого соединены с информационными входами второго ЗУ 16. Информационные выходы второго запоминающего устройства 16 соединены с группой входов уменьшаемого блока вычитания 9, группа входов вычитаемого которого соединена с группой информационных выходов первого ЗУ 7. Группа информационных входов блока 7 соединена с группой информационных выходов БВРФ 6. Умножитель 10, сумматор 11, третье ЗУ 12 и БОАУМ 13 соединены последовательно. Первая и вторая группа входов умножителя 10 поразрядно объединены и соединены с группой выходов блока 9.

Пеленгатор (фиг.1) работает следующим образом. Антенная решетка 1 выполнена из N АЭ с идентичными характеристиками, размещаемыми в плоскости пеленгования. В качестве антенных элементов целесообразно использовать один из типов антенн: симметричные или несимметричные вибраторы, конические несимметричные вибраторы, дискоконусные АЭ, биконические АЭ и др. Выбор АЭ определяется заданным частотным диапазоном (коэффициентом перекрытия), конструктивными особенностями АР. В общем случае размещение АЭ в горизонтальной плоскости может быть произвольным (см. фиг.2). Количество используемых АЭ и расстояния между ними определяются заданной точностью пеленгования, диапазоном рабочих частот пеленгатора и эффектом взаимного влияния АЭ друг на друга. Последнее определяет минимальное расстояние между АЭ решетки 1 d_min. Необходимость в случайном размещении АЭ возникает в тех случаях, когда необходимо скрыть их функциональную принадлежность к пеленгатору.

Для обеспечения наиболее высокой и равной со всех направлений точности пеленгования целесообразно использование АР 1 с кольцевым размещением (см. фиг.3). В ряде случаев имеют место ограничения по площади размещения АЭ. Тогда кольцевая структура АР 1 преобразуется (деформируется) в эллиптическую (например, на подвижных носителях) или другую близкую структуру (см. фиг.4).

Важным аспектом выполнения АР 1 является реализация коэффициента перекрытия К_пер частотного диапазона. В случаях, когда К_пер задается равным 10 и более, целесообразно использование многокольцевой структуры АР. Вариант стационарной АР 1 с двойной кольцевой структурой приведен на фиг.5, где обеспечивается К_пер, близкий к 20. Для многокольцевой антенной решетки отсутствует требование одинакового количества АЭ в каждом кольце и взаимной ориентации их первых элементов со сдвигом на π радиан.

Выполненный анализ зависимости количества АЭ N и К_пер (по уровню взаимного влияния АЭ в нижней части рабочего диапазона и неоднозначности получаемых оценок в его верхней части) показал, что для устранения указанных негативных явлений и их влияние на точность пеленгования при К_пер=10 необходимо использовать не менее 8 АЭ совместно с полнодоступным антенным коммутатором и 16 АЭ - при использовании неполнодоступного антенного коммутатора.

В АР 1 не предусматривается использование специально выделенного опорного АЭ в центре решетки из-за низкой эффективности его использования. Данный элемент непосредственно не используется при формировании пар для измерения разности фаз сигнала в АЭ Δϕ_i,j. Использование выделенного опорного элемента понижает надежность (помехоустойчивость) пеленгатора из-за вероятности попадания его в зону интерференции. В результате измерения Δϕ_i,j привносятся большие погрешности, а в ряде случаев измерения становятся невозможными. Использование несколько специально выделенных АЭ в качестве опорных еще более усугубляет положение (при прочих равных условиях) со статистикой о поле сигнала, что эквивалентно искусственному занижению точностных характеристик пеленгатора.

Другой недостаток в способе и устройстве-прототипе состоит в том, что в обработке используются только пары АЭ с повторяющимися значениями баз (расстояниями между АЭ), что также ведет к сокращению статистики о поле сигнала. Данный недостаток еще более усугубляется при использовании неполнодоступных коммутаторов. В отличии от прототипа в предлагаемом способе и пеленгаторе (см. фиг.6) в обработке используется N(N-1) пар АЭ, т.е. все возможные пары.

Вышесказанное подтверждается результатами моделирования, проиллюстрированными на Фиг.8. Здесь показана зависимость среднеквадратического отклонения пеленга θ от истинного направления в зависимости от количества используемых пар АЭ Р. В качестве анализируемой взята 8-элементная кольцевая антенная решетка в совокупности с полнодоступным коммутатором. Максимальная база составляет два метра, а моделирование выполнено для частоты 150 МГц. Получаемые разности фаз пар АЭ Δϕ_n,m были искажены шумами, распределенными по нормальному закону, со среднеквадратической ошибкой в 20°. Приведенные результаты свидетельствуют о том, что использование максимально возможного количества пар АЭ позволяет повысить точность измерения пространственных параметров (θ, β) (для параметра β характер зависимости сохраняется). Данный вывод становится еще более актуальным при использовании АР с небольшим (3-5) количеством АЭ.

Перед началом работы пеленгатора осуществляется пространственное описание АР 1. Для этого измеряются взаимные расстояния между элементами антенной решетки 1. Для кольцевой структуры данная операция несколько упрощается. Измеренные расстояния по шине 18 поступают на вход блока формирования эталонных значений разностей фаз 17.

Антенный коммутатор 2 обеспечивает синхронное подключение в едином промежутке времени любых пар АЭ к опорному и сигнальному выходам. В результате последовательно во времени на пару входов приемника 3 пропускаются все возможные пары сигналов с антенной решетки 1 (см. фиг.6). При этом все антенные элементы периодически выступают как в качестве сигнальных, так и в качестве опорных АЭ (при условии использования полнодоступного антенного коммутатора 2). Этим достигается максимальный набор статистики о пространственных параметрах электромагнитного поля.

Радиосигналы, поступившие на вход приемника 3, преобразуются в высокочастотные электрические сигналы, усиливаются, фильтруются и переносятся на промежуточную частоту. С опорного и сигнального выходов приемника 3 сигналы промежуточной частоты поступают на соответствующие входы АЦП 4, где синхронно преобразуются в цифровые сигналы. Полученные цифровые отсчеты сигналов в блоке 4 перемножаются на цифровые отсчеты двух гармонических сигналов одной и той же частоты, сдвинутых друг относительно друга на угол π/2.

В самом общем виде принимаемый сигнал u(t) представляется в виде:

где U(t) - огибающая амплитуды сигнала; ϕ(t) - фаза сигнала; ω₀ - частота, относительно которой представлены огибающая амплитуды и фаза сигнала.

Более удобная форма представления сигнал u(t) базируется на квадратурных составляющих:

где V_c(t)=U(t)cos(ϕ(t)) и V_s(t)=U(t)sin(ϕ(t)) - квадратурные составляющие сигнала.

Составляющие V_c(t) и V_s(t) соответствуют действительной и мнимой частям комплексной огибающей U(t) сигнала u(t).

Рассмотрим порядок получения квадратурных составляющих принимаемого сигнала u(t) в блоке 4. Умножение исходного сигнала u(t) на сигнал ν(t)=Acos(ω₀t) приводит к формированию сигнала u_c(t) вида

Если частота 2ω₀ несколько превышает максимальную скорость изменения фазы ϕ(t)/2, то с помощью фильтра нижних частот можно выделить первое слагаемое в формуле (3)

Выделенный с помощью фильтра нижних частот сигнал u_c1(t) с точностью до постоянного множителя совпадает с квадратурной составляющей V_c(t).

Аналогичным образом в блоке 4 формируют вторую квадратурную составляющую путем умножения сигнал u(t) на сигнал ν(t)=A sin(ω₀t)

После выполнения в блоке 4 рассмотренных операций осуществляется дискретное преобразование Фурье в блоке 5

на выходах которого получают цифровые сигналы, характеризующие спектры совокупностей сигналов пеленгуемых источников в сигнальном и опорном трактах.

Далее каждая пара частотных отсчетов одного канала в блоке 6 умножается на комплексно сопряженную пару отсчетов другого канала для каждого k-го частотного поддиапазона f_k∈ΔF

где n, m=1...N; n≠m номера АЭ решетки 1.

Сумма квадратурных составляющих каждого из полученных отсчетов соответствует взаимной мощности сигналов двух каналов P_n,m(f_k), а арктангенс отношения квадратурных составляющих соответствует разности фаз сигналов, принятых разными антенными элементами n и m в k-ом частотном поддиапазоне f_k

В дальнейшей работе устройства-прототипа (блок 7) используется значение комплексного напряжения U_n,m(f_k), которое преобразуется в параметры (θ, β), а величина Δϕ_n,m(f_k) не определяется и не используется. Заявляемый способ и устройство базируется на использовании фазового параметра Δϕ_n.m(f_k). В общем случае в блоке 6 заявляемого устройства определяются значения Δϕ_n,m,изм(f_k), которые последовательно записываются в ЗУ7.

Возможен другой вариант реализации заявляемых способа и устройства, учитывающий информацию о взаимной мощности P_n,m(f_k) (выражение 9). В этом случае значение взаимной мощности P_n,m(f_k) используется для принятия решения в блоке 6 об обнаружении сигнала, принимаемого парой АЭ n и m в k-ом частотном поддиапазоне путем сравнения с пороговым значением Р_пор. При положительном решении значение Δϕ_n,m,изм(f_k) записывается в блок 7. В блоке 7 по измеренным значениям Δϕ_n,m,изм(f_k) различных поддиапазонов частот и пар АЭ решетки 1 (исходя из пространственного расположения этих АЭ в плоскости пеленгования) формируют таблицы измеренных значений разностей фаз Δϕ_n,m,изм(f_k).

Формирование таблиц эталонных значений разностей фаз Δϕ_эm(f_k) для различных пар элементов антенной решетки осуществляется в блоке 17. Предварительно задаются сектором обработки по азимуту (θ_min, θ_max) и углу места (β_min, β_max) прихода радиосигнала (данные вводятся по шине 18), а также разрешением (точностью) вычисления угловых параметров Δθ и Δβ. В блоке 17 по шине 18 также вводятся удаление эталонных источников D и топология размещения антенных элементов {r_n}, где r_n=(x_n, y_n, z_n). В блоке 17 вычисляются координаты эталонных источников, расположенных на удалении D и имеющие угловых координаты

a_i,j={X_i,j, Y_i,j, Z_i,j}

где Х_i,j=Dcos(θ_i)cos(β_j), Y_i,j=Dsin(θ_i)cos(β_j), Z_i,j=Dsin(β_j).

Далее для каждой угловой координаты (θ_i, β_j) эталонного источника вычисляются значения разностей фаз Δϕ_эm(f_k) для всех возможных комбинаций пар элементов антенной решетки и всех частотных поддиапазонов

где - расстояние между антенным элементом и эталонным источником; n, m∈(1...N), n≠m - номер антенного элемента.

Значения Δϕ_n,m,i,j,эm(f_k) записываются в запоминающее устройство 16.

Следующим шагом является вычисление значений функции дисперсии невязок разностей фаз по всем угловым параметрам (θ_i, β_j). Данная операция выполняется с помощью блоков 9, 10 и 11 в соответствии с выражением

Δθ и Δβ - заданные точности измерения пеленга в азимутальной и угломестной плоскостях,

n, m∈(1...N), n≠m - номер антенного элемента.

В результате находятся элементы двухмерного спектра значений функции дисперсии невязок разностей фаз по заданным параметрам (θ_i, β_j).которые записываются в запоминающее устройство 12.

В блоке 13 осуществляется исследование функции дисперсии невязок F(θ_i, β_j) на экстремум. Аргумент (θ_i, β_j) минимального значения функции F(θ_i, β_j) является наиболее вероятными пространственными параметрами сигнала (θ, β).

В устройстве, реализующем предложенный спосо6, используются известные элементы и блоки, описанные в научно-технической литературе. Варианты реализации антенных элементов и антенной решетки широко рассмотрены в литературе (см. Саидов А.С. и др. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов. - М.: Радио и Связь. 1997; Torriere D.J. Principles of military communication system. Dedham, Massachusetts. Artech Hause, inc., 1981. - 298 p.), а некоторые варианты реализации (разработанные авторами) приведены на фиг.3, 4 и 5. Антенные коммутаторы 2 широко известны (см. Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применения. - М.: Радио и Связь, 1989. - 240 с.; Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и Связь, 1987. - 120 с.). Приемник 3 может быть реализован с помощью двух полупрофессиональных приемников типа IC-R8500 фирмы ICOM (см. Communication Receiver IC-R8500. Instruction Manual). При этом первый и второй гетеродины одного из приемников используются одновременно в качестве первого и второго гетеродинов второго приемника. Кроме того, в качестве приемника 3 могут попарно использоваться и другие приемники фирмы ICOM: IC-R7000, IC-PCR1000).

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4 и блок преобразования Фурье 5, блок вычисления разности фаз и первое запоминающее устройство 7 реализуются с помощью стандартных плат: субмодуля цифрового приема ADMDDC2WB и ADP60PCI v3.2 на процессоре Sharc. ADSP-21062. Руководство пользователя (см. е-mail:insys@orc.ru WWW-сервер:www.insys.ru). Субмодуль ADMDDC2WB реализует функции блока 4 и содержит микросхемы DIGITAL DOWN CONVERTER (DDC) AD6620 фирмы Analog Devices для извлечения полосы частот из широкой полосы частот входного сигнала (например, сигнала второй промежуточной частоты приемника 3 IC-R8500), преобразования этой полосы в полосу модулирующих частот и вывод ее в квадратуре (выражения 3-6). Это преобразование выполняется смещением интересующей полосы частот к нулевой частоте при цифровом умножении данных от АЦП на квадратурное опорное колебание из внутреннего генератора DDC.

Субмодуль цифрового приема ADMDDC2WB используется в несущих платах типа ADP60ISA, ADP60PCI, ADP62PCI. Базовый модуль на базе платы ADP60PCI v3.2 на процессоре Sharc ADSP-21062 реализует функцию дискретного преобразования Фурье (выражение 7, блок 5), операцию умножения на комплексно-сопряженную пару отсчетов каналов (выражение 8, блок 6), нахождение взаимной мощности сигналов и разности фаз сигналов (выражения 9, 10; блок 6), обнаружение сигнала, если таковое используется, запоминание измеренных разностей фаз Δϕ_n,m(f_k) (функция блока 7).

Построение генераторов синхроимпульсов 8 известно и широко освещено в литературе (Радиоприемные устройства: Учебн. Пособие для радиотехники. Спец. ВУЗов / Ю.Т.Давыдов и др.; - М.: Высшая школа, 1989.- 342 с; Функциональные узлы адаптивных компенсаторов помех: Часть II. В.В.Никитченко. - Л.: ВАС, 1990. - 176 с.).

С помощью блоков 9, 10 и 11 реализуется выражение 12 описания. Варианты выполнения сумматора 11 и блока вычитания 9 приведены, например, в (Ред. Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990. - 256 с.).

Второе 16 и третье 12 запоминающие устройства реализованы по известным схемам (см. Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник / А.Ю.Гордонов и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.; Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М: Радио и связь, 1990. - 160 с.). Умножитель 10 реализует операцию возведения в квадрат (выражение 12), а его выполнение освещено в (Рэд. Э. Справочное пособие по высокоточной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир. 1990. - 256 с.).

Блок формирования эталонных значений разностей фаз 17 предназначен для создания таблиц эталонных значений разностей фаз Δϕ_эm(f_k) для различных пар элементов антенной решетки и различных поддиапазонов частот f_k. На подготовительном этапе по входной установочной шине 18 задаются следующие исходные данные пеленгатора:

сектор обработки по азимуту (θ_min, θ_max) и углу места (β_min, β_max);

точность нахождения пространственных параметров Δθ и Δβ;

удаление эталонных источников D;

топология размещения антенных элементов {r_n}, где r_n=(x_n, y_n, z_n).

Величины (θ_min, θ_max) задаются пользователем исходя из задач, стоящих перед измерителем (пеленгатором). В общем случае θ_min=0°, а θ_max=360°. Точность нахождения пространственных параметров Δθ и Δβ ограничивается значением инструментальной точности пеленгатора. Последняя, в свою очередь, зависит от типа (размеров и геометрии используемой) AP1, частотного диапазона ΔF, условий распространения радиоволн, вида модуляции сигнала и т.д. Задача блока 17 состоит в том, чтобы для каждого частотного поддиапазона ΔF для заданной топологии AP1 с дискретами по азимуту Δθ и углу места Δβ рассчитать идеальные (эталонные) значения разностей фаз Δϕ_эm(f_k) для всех пар антенных элементов с учетом того, что эталонный источник перемещается на удалении D от AP1. Блок 16 может быть выполнен в виде автомата, реализованного на базе микропроцессора (см., например, Шевкоплес Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. - 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.) и работающего в соответствии с алгоритмом, приведенном на Фиг.7. В качестве последнего целесообразно использовать высокопроизводительный 16-разрядный микропроцессор К1810ВМ86 (см. Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение: Справ, пособ. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.).

Реализация блока определения азимута и угла места 13 известна и широко освещена в литературе, выполняет аналогичную функцию блока 13 устройства-прототипа. Отличие состоит в том, что в устройстве-прототипе блоком 13 осуществляется поиск максимального значения аргумента (θ, β), a в заявленном устройстве - минимального значения суммы квадратов невязок F(θ, β). Блок 13 целесообразно реализовывать по пирамидальной схеме с использованием быстродействующих компараторов (см. Шевкоплес Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. - 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.).

Таким образом заявленный способ и устройство за счет одновременного измерения разностей фаз в парах антенных элементов решетки и более полного набора статистики о электромагнитном поле сигнала позволяют обеспечить повышение точности пеленгования. К другим достоинствам устройства можно отнести снятие ограничений на пространственное размещение антенных элементов решетки, повышение быстродействия пеленгатора.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для определения пеленга на источник априорно неизвестного сигнала. Техническим результатом является разработка способа и устройства пеленгации, обеспечивающих более высокую точность измерения пространственных параметров радиосигналов: азимута и угла места. Способ включает прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов, где N>2, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование принятых радиосигналов в высокочастотные электрические сигналы на промежуточной частоте с последующей их дискретизацией, измерение в каждом частотном поддиапазоне на совпадающих интервалах времени комплексных спектров пар сигналов для каждой пары антенных элементов, характеризующих фазы каждого радиосигнала, принимаемого в соответствующем частотном поддиапазоне одним из антенных элементов пары, выбранным в качестве сигнального, относительно фазы радиосигнала, принимаемого в том же частотном поддиапазоне другим из антенных элементов пары, выбранным в качестве опорного, определение свертки комплексно-сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, получение разности фаз радиосигналов для каждой пары антенных элементов и каждого частотного поддиапазона путем преобразования Фурье, запоминание полученных разностей фаз радиосигналов для всех пар антенных элементов и всех частотных поддиапазонов, формирование и запоминание эталонных разностей фаз сигналов исходя из пространственного размещения антенных элементов решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычисление значения функции дисперсии невязок разностей фаз по всем угловым параметрам, определение наиболее вероятного направления прихода радиосигнала по наименьшей сумме квадратов невязок. В пеленгаторе, реализующем спосо6, дополнительно введены блок формирования эталонных значений разностей фаз, второе и третье запоминающие устройства, блок вычитания, умножитель, сумматор и блок вычисления разностей фаз. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов, где N>2, расположенных в плоскости пеленгования, последовательное преобразование принятых радиосигналов в высокочастотные электрические сигналы на промежуточной частоте с последующей их дискретизацией, измерение в каждом частотном поддиапазоне на совпадающих интервалах времени комплексных спектров пар сигналов для каждой пары антенных элементов, характеризующих фазы каждого радиосигнала, принимаемого в соответствующем частотном поддиапазоне одним из антенных элементов пары, выбранным в качестве сигнального относительно фазы радиосигнала, принимаемого в том же частотном поддиапазоне другим из антенных элементов пары, выбранным в качестве опорного, определение свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, отличающийся тем, что путем преобразования Фурье определяют разности фаз радиосигналов для каждой пары антенных элементов и каждого частотного поддиапазона, запоминают полученные разности фаз радиосигналов, формируют и запоминают эталонный набор разностей фаз сигналов исходя из пространственного размещения антенных элементов антенной решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычитают из эталонных разностей фаз сигналов соответствующие измеренные значения разностей фаз, полученные значения невязок возводятся в квадрат и суммируют по всем парам антенных элементов и всем частотным поддиапазонам, запоминают полученные суммы, находящиеся в однозначном соответствии с направлениями прихода радиосигналов, определяют наиболее вероятное направление прихода радиосигнала по наименьшей сумме квадратов невязок.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используется антенная решетка с согласованным с местными условиями вариантом размещения антенных элементов на местности, а расстояния между антенными элементами ограничиваются требованиями, обусловленными используемым частотным диапазоном.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве опорного антенного элемента поочередно применяются все антенные элементы антенной решетки.4. Пеленгатор, содержащий антенную решетку, выполненную из N антенных элементов, где N>2, реализованных идентичными и расположенными в плоскости пеленгования, антенный коммутатор, изготовленный с N входами и с двумя выходами - сигнальным и опорным, притом выходы антенных элементов подсоединены к соответствующим входам антенного коммутатора, двухканальный приемник, выполненный по схеме с общими гетеродинами, входы которого соединены соответственно с опорным и сигнальным выходами коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, выполненные двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналами и соединенные последовательно, причем опорный и сигнальный входы аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с опорным и сигнальным выходами промежуточной частоты двухканального приемника, первое запоминающее устройство, генератор синхроимпульсов, подсоединенный к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, первого запоминающего устройства и блока определения азимута и угла места, первый выход которого является азимутальной выходной шиной пеленгатора, а второй - угломестной выходной шиной пеленгатора, отличающийся тем, что дополнительно введены блок формирования эталонных значений разностей фаз, второе и третье запоминающие устройства, блок вычитания, умножитель, сумматор, блок вычисления разностей фаз, первый вход которого соединен с опорным выходом блока преобразования Фурье, сигнальный выход которого соединен со вторым входом блока вычисления разностей фаз, информационные выходы которого соединены с группой информационных входов первого запоминающего устройства, информационные выходы которого соединены с группой входов вычитаемого блока вычитания, группа входов уменьшаемого которого соединена с информационными выходами второго запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с информационными выходами блока формирования эталонных значений разностей фаз, группа информационных входов которого является входной установочной шиной пеленгатора, а синхровход объединен с выходом генератора синхроимпульсов и синхровходами блока определения азимута и угла места, второго и третьего запоминающих устройств, сумматора, умножителя и блока вычитания, группа информационных выходов которого соединена с первой и второй группами информационных входов умножителя, информационные выходы которого соединены с информационными входами третьего запоминающего устройства, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока определения азимута и угла места.5. Пеленгатор по п.4, отличающийся тем, что используется антенная решетка с согласованным с местными условиями вариантом размещения антенных элементов на местности, а расстояния между антенными элементами ограничиваются требованиями, обусловленными используемым частотным диапазоном.6. Пеленгатор по п.5, отличающийся тем, что в антенной решетке в качестве опорного антенного элемента поочередно применяются все антенные элементы антенной решетки.7. Пеленгатор по п.4, отличающийся тем, что антенный коммутатор выполнен с возможностью синхронного подключения очередной пары антенных элементов к сигнальному и опорному выходам коммутатора соответственно, а генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью подачи команд на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения следующих пар антенных элементов.