РАДИОПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДВУХМЕРНОГО ПЕЛЕНГА Российский патент 2006 года по МПК G01S3/14 G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано в системах определения местоположения источников радиоизлучения.

Известен радиопеленгатор, включающий последовательно соединенные антенную систему, многоканальный радиоприемник, многоканальный измеритель комплексной амплитуды, вычислитель углового спектра, блок определения модуля и блок определения максимума. [Патент РФ №2158002, G 01 S 5/04, 1997 г.]. В данном радиопеленгаторе определение двухмерного пеленга осуществляется на основе наведения антенной системы по дискретным значениям угловых координат (азимуту и углу места).

Недостатком известного радиопеленгатора является низкая скорость пеленгования, что обусловлено необходимостью выполнения большого объема операций над сигналом, особенно когда требуется обеспечить малый шаг дискретизации положения диаграммы направленности антенной системы, или низкая точность - когда шаг дискретизации увеличен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является радиопеленгатор, приведенный в заявке на изобретение РФ №2003108306, G 01 S 3/14, опубл. 10.10.04 г., БИПМ №28, принятый за прототип.

Радиопеленгатор-прототип содержит последовательно соединенные кольцевую эквидистантную N-элементную антенную решетку 1, N-канальный цифровой радиоприемник 2, N-канальный измеритель комплексной амплитуды 3 и N входное буферное запоминающее устройство 4, два выхода которого соединены с соответствующими входами умножителя комплексных чисел 5, а также тактовый генератор 6, выход которого подключен к управляющему входу буферного запоминающего устройства 4, последовательно соединенные устройство определения разности фаз 12, многошкальный измеритель набега фаз 13 и блок определения углов прихода радиоволн 14, два выхода которого являются выходами азимутального и угломестного пеленга соответственно.

Определение двухмерного пеленга в радиопеленгаторе-прототипе осуществляется с применением метода многошкальных измерений, что ускоряет процесс пеленгования.

Однако данный пеленгатор при четном числе антенн не обеспечивает достижение потенциально возможной скорости пеленгования, что является его недостатком.

Технической задачей данного изобретения является увеличение скорости пеленгования.

Решение задачи достигается тем, что в радиопеленгаторе для определения двухмерного пеленга, содержащем последовательно соединенные кольцевую эквидистантную антенную решетку с четным N числом антенн, N-канальный цифровой радиоприемник, N-канальный измеритель комплексной амплитуды и N входное буферное запоминающее устройство, два выхода которого соединены с соответствующими входами умножителя комплексных чисел, а также тактовый генератор, выход которого подключен к управляющему входу буферного запоминающего устройства, последовательно соединенные устройство определения разности фаз, многошкальный измеритель набега фаз и блок определения углов прихода радиоволн, согласно изобретению введены формирователь импульсов и, между выходом умножителя комплексных чисел и входом устройства определения разности фаз, - управляемый накапливающий сумматор, вход управления которого соединен с выходом формирователя импульсов, к входу которого подключен выход тактового генератора, причем число шкал многошкального измерителя набега фаз равно , где - операция выделения целой части числа, заключенного в скобки, N≥8.

На фиг.1 приведена структурная схема радиопеленгатора для определения двухмерного пеленга, на фиг.2 - вариант выполнения многошкального измерителя набега фаз; на фиг.3(а и б) - модель 16-канального радиопеленгатора для определения двухмерного пеленга в системе Mathcad-2000.

На фиг.1 обозначено:

1 - антенная решетка, образованная из антенн 1.0, 1.1-1.N-1; 2 - радиоприемное устройство; 3 - измеритель комплексной амплитуды; 4 - буферное запоминающее устройство; 5 - умножитель комплексных чисел; 6 - тактовый генератор; 7 - формирователь импульсов; 8 - делитель на два; 9 - делитель на семь; 10 - схема ИЛИ; 11 - накапливающий сумматор; 12 - устройство определения разности фаз; 13 - многошкальный измеритель набега фаз; 14 -блок определения углов прихода радиоволн; 15 - блок линейного преобразования; 16, 17 - первый и второй функциональные преобразователи.

На фиг.2 обозначено:

19.1-19.3 - первое, второе и третье запоминающие устройства (ЗУ); 20.1, 20.2 - первый и второй вычитатели; 21.1-21.3 - первый, второй и третий умножители; 22.1, 22.2 - первый и второй квадраторы; 23.1, 23.2 - первый и второй сумматоры; 24.1, 24.2 - первое и второе оперативные запоминающие устройства (ОЗУ); 25.1, 25.2 - первый и второй масштабные умножители; 26.1, 26.2 - первая и вторая запоминающие ячейки (ЗЯ); 27 - устройство определения минимума; 28 - компаратор.

Предлагаемый радиопеленгатор для определения двухмерного пеленга содержит последовательно соединенные антенную решетку 1, радиоприемное устройство 2, измеритель комплексной амплитуды 3 и буферное запоминающее устройство 4, последовательно соединенные умножитель комплексных чисел 5, накапливающий сумматор 11, устройство определения разности фаз 12, многошкальный измеритель набега фаз 13 и блок определения углов прихода радиоволн 14. А также последовательно соединенные тактовый генератор 6 и формирователь импульсов 7, выход которого соединен с входом управления накапливающего сумматора 11. Кроме того, выход тактового генератора 6 соединен с управляющим входом буферного запоминающего устройства 4, два выхода которого соединены с соответствующими входами умножителя комплексных чисел 5. При этом формирователь импульсов 7 содержит последовательно соединенные делитель на два 8 и схему ИЛИ 10, а также делитель на семь 9, выход которого соединен со вторым входом схемы ИЛИ 10, выход которой является выходом формирователя импульсов 7, причем входы обоих делителей соединены и являются входом формирователя импульсов 7. Блок определения углов прихода радиоволн 14 содержит последовательно соединенные блок линейного преобразования 15, первый 16 и второй 17 функциональные преобразователи. Входом блока определения углов прихода радиоволн 14 является вход блока линейного преобразования 15. Первым выходом радиопеленгатора является второй выход функционального преобразователя 16 (азимутальный пеленг), а вторым выходом - выход функционального преобразователя 17 (угломестный пеленг).

Многошкальный измеритель набега фаз 13 содержит (фиг.2) последовательно соединенные первый вычитатель 20.1, первый 21.1 и второй 21.2 умножители, первый сумматор 23.1, второй квадратор 22.2, первый масштабный умножитель 25.1, второй вычитатель 20.2 и устройство определения минимума 27. Кроме того, последовательно соединенные первый квадратор 22.1, третий умножитель 21.3 и второй сумматор 23.2, выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя 20.2. При этом выход второго сумматора 23.2 через второе ОЗУ 24.2 соединен со вторым входом второго сумматора 23.2. Вход первого квадратора 22.1 соединен с выходом первого вычитателя 20.1, второй вход которого подсоединен к выходу первого ЗУ 19.1. Первый вход первого вычитателя 20.1 является входом многошкального измерителя набега фаз 13. Выход второго ЗУ 19.2 соединен со вторым входом первого умножителя 21.1, а выход третьего ЗУ 19.3 - со вторыми входами второго 21.2 и третьего 21.3 умножителей. Выход первого сумматора 23.1 соединен с входом ОЗУ 24.1 и первым входом первой ЗЯ 26.1, выход которой соединен с входом второго масштабного умножителя 25.2, выход которого является выходом многошкального измерителя набега фаз 13. При этом выход первого ОЗУ 24.1 соединен со вторым входом первого сумматора 23.1. Кроме того, выход устройства определения минимума 27 соединен со вторым входом первой ЗЯ 26.1. При этом устройство определения минимума 27 содержит последовательно соединенные вторую ЗЯ 26.2 и компаратор 28, выход которого является выходом устройства определения минимума 27 и соединен со вторым входом второй ЗЯ 26.2, вход которой является входом устройства определения минимума 27 и соединен со вторым входом компаратора 28.

Антенная решетка 1 состоит из антенн 1.0, 1.1-1.N-1, образующих N-элементную кольцевую эквидистантную решетку при общем четном, не менее восьми, числе антенн. Ограничение по числу антенн обусловлено необходимостью реализации многошкальных измерений, то есть измерений, при которых число шкал не менее двух. Антенны идентичные всенаправленные (по крайней мере, в горизонтальной плоскости) типа вертикальный несимметричный вибратор, установлены на плоской поверхности Земли. Номера антенн: n=0, 1-N-1. Одна из антенн решетки с номером n=0 ориентирована на север, нумерация других антенн решетки - по часовой стрелке в порядке возрастания номеров. Радиус решетки R. Отсчет азимута по часовой стрелке. Отсчет угла места от поверхности Земли. Далее описывается пример выполнения радиопеленгатора с числом антенн N=16 с указанием особенностей для произвольного числа антенн.

Радиоприемное устройство 2 и измеритель комплексной амплитуды 3 - многоканальные, число каналов в которых равно числу антенн. Измеритель 3 обеспечивает синхронное измерение комплексных амплитуд радиосигналов с представлением выходной информации в цифровом виде и может быть выполнен с применением цифровой элементной базы, например, по схеме рис.3.14, приведенной в [Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - М.: Радио и связь, 1987, с.67-69].

Буферное запоминающее устройство 4 имеет N информационных входов, управляющий вход и два выхода. Объем буферного запоминающего устройства 4 составляет 2·М комплексных чисел, где , - операция выделения целой части числа, заключенного в скобки. Запоминающее устройство 19.1 имеет объем памяти, соответствующий общему количеству комбинаций кратностей. Для длины волны 20 м при радиусе 16-элементной решетки R=27 м количество комбинаций кратностей составляет J=27. Запоминающее устройство 19.2 предназначено для хранения величин.

В запоминающем устройстве 19.3 хранятся Р значений масштабных множителей, в конкретном примере равных 2, 2, 2, 1. Оперативные запоминающие устройства имеют одинаковый объем памяти, равный количеству комбинаций кратностей J.

Блок линейного преобразования 15 в примере конкретного выполнения представляет собой масштабный умножитель с коэффициентом передачи, равным 1/μ, где - параметр разноса, R - радиус решетки, λ - длина волны излучения. Особенности функций блока 15 при произвольном значении N рассмотрены ниже. Коэффициенты передачи масштабных умножителей 25.1, 25.2 равны 1/S₂, где при N=16 значение S₂=4.

Функциональный преобразователь 16 реализует функции определения фазы и модуля вектора Z (комплексного числа) A=arg(Z), B=|Z|, а функциональный преобразователь 17 реализует функцию определения арккосинуса числа на входе. Эти блоки могут быть выполнены по способу Волдера [Бойков В.Д., Смолов В.Б. Аппаратурная реализация элементарных функций в ЦВМ. Л., ЛГУ, 1975, с.18-22].

Другие элементы радиопеленгатора являются типовыми и выполняются на цифровой элементной базе.

Принцип функционирования радиопеленгатора состоит в следующем.

Радиоизлучения передатчиков принимают с помощью антенн решетки 1 и радиоприемного устройства 2, на выходе которого с помощью измерителя 3 синхронно измеряют комплексные амплитуды принятых радиосигналов . Измеренные значения запоминают в буферном запоминающем устройстве 4, после чего по сигналам управления, поступающим от тактового генератора 6, попарно считывают в следующей последовательности номеров, соответственно по первому и второму выходу

Таким образом, образуется две группы пар антенн, векторы, соединяющие пары антенн в которых коллинеарны между собой и ориентированы в направлении "восток-запад" - группа (1) и "юг-север" - группа (2). Причем взаимное удаление антенн с номерами, отделенными в формулах (1), (2) точкой с запятой, одинаково. Например, между парой антенн 1-15 и парой антенн 7-9.

В случае произвольного числа N, номера пар антенн в группах (не объединенных по равенству взаимных удалений) определяются по формулам: первая группа - h+1 и N-1-h, вторая группа - mod_N(h+1-Р) и N-1-h-P, где mod_N(h+1-Р) - операция по модулю N от числа заключенного в скобки, т.е. результат вычитания из числа, заключенного в скобки, значения, кратного N, лежащего в диапазоне [0, N-1], h=0,1,..., М-1; M, , - операция выделения целой части числа, заключенного в скобки.

При каждом цикле считывания в умножителе комплексных чисел 5 производится перемножение соответствующих пар комплексных амплитуд, например в первом цикле , где * - операция комплексного сопряжения. Полученные произведения попарно суммируются в накапливающем сумматоре 11 в течение первых 2-х циклов . После чего накапливающий сумматор 11 по входу управления очищается импульсом с формирователя 7. Аналогичная обработка выполняется в последующие 2+2 циклы. На седьмом цикле считывания накапливающий сумматор 11 очищается импульсом с формирователя 7 непосредственно после поступления очередного произведения (и сложения его с нулем). Аналогичным образом осуществляется обработка второй группы пар комплексных амплитуд (2).

Необходимые для управления процессом суммирования в накапливающем сумматоре 11 импульсы формируются делением частоты импульсов тактового генератора 6 на 2 и на 7 в делителях 8 и 9 формирователя импульсов 7 и объединением результатов в схеме ИЛИ 10.

В устройстве определения разности фаз 12 определяют разности фаз между сигналами по результатам выполненного суммирования, в частности после первых двух циклов получают .

Обозначим для общего случая: Δϕ_m - разность фаз между сигналами группы антенн (1), Δψ_m - разность фаз между сигналами группы антенн (2), где m=0, 1,..., Р-1.

В отсутствии погрешностей измерений разности фаз равны

где ]·[ - операция по модулю 2π (выделения остатка от деления величины, заключенной в скобки на 2π), V=2μ·cosβ·sinθ - набег фаз между точками, удаленными на расстояние, равное диаметру решетки в направлении "восток запад", - параметр разноса, α=2π/N, R - радиус решетки, λ - длина волны излучения, θ, β - азимут и угол места прихода волны.

Область значений Δϕ_m ограничена интервалом [-π, π], в результате чего измеренные в устройстве 12 значения отличаются от истинных на целое число периодов 2π. Набег фаз V неизвестен и подлежит оцениванию. Из анализа формулы (3) следует, что совокупность разностей фаз Δϕ_m можно рассматривать как отсчеты набега фаз V на четырех шкалах измерителя с ценой деления, пропорциональной sinαm. Аналогично выражение для разностей фаз Δψ_m применительно к антеннам группы (2) с учетом замены величины V на аналогичную U=2μ·cosβ·cos(θ), где U набег фаз между точками, решетки в направлении "север юг".

Измеренные значения разностей фаз Δϕ_m, Δψ_m по мере определения в устройстве 12 поступают в многошкальный измеритель набега фаз 13, где после поступления первых четырех значений оценивают набег фаз V, а следующих четырех значений - набег фаз U.

Существо процесса оценивания состоит в следующем.

Для каждого значения Δϕ_m определяют возможные, с учетом кратности 2π, утраченной при измерении, однозначные значения разности фаз

где К_m,j=0, ±1, ±2,... - возможные значения кратностей, j=0,1,2,..., (J-1) - номер комбинации кратностей, при общем числе комбинаций J.

По совокупности m для каждого j оценивают дисперсию разности фаз

Промежуточные величины в формуле (5) определяются соотношениями

Среди всех D(j) определяют минимальное, а также соответствующее ему значение номера комбинации кратностей

и оценивают искомый параметр в точке положения минимума дисперсии

Множитель 2 в соотношениях (6) вводится для решеток с числом антенн, равным степени два (8, 16, 32...), чем учитывается неравноточность измерений разности фаз парных групп антенн и непарной группы (например, 0-8 в формуле (2)). В решетках с иным четным числом элементов (10, 12 и т.п.) этот множитель равен единице.

Возможные значения кратностей К_m,j, определяют до начала процесса пеленгования путем отбора неповторяющихся вариантов при изменении в пределах диапазона [-μ, +μ] параметра μ1 в выражении

Для рассматриваемого устройства матрица кратностей, при длине волны 20 м и радиусе 16-элементной решетки R=27 м, полученная с использованием формулы (9), имеет вид

Строки матрицы соответствуют номерам разностей фаз m=0, 1, 2, 3, а столбцы номерам комбинаций кратностей j=0, 1,..., 13. Комбинации с отрицательными кратностями для j=14, 15,..., 26 располагаются симметрично относительно столбца с номером 0. Поэтому общее количество комбинаций составляет J=27.

Реализация процедуры оценки набега фаз в многошкальном измерителе 13 происходит следующим образом. Перед началом работы производят начальные установки: в запоминающее устройство 19.1 заносят таблицу кратностей (10), значения которой предварительно умножают на 2π; в запоминающее устройство 19.2 записывают значения функции sinα(m+l) (промежуточная величина в (6)), в запоминающее устройство 19.3 записывают значения множителей 2, 2, 2, 1; устанавливают коэффициент 1/S₂ передачи масштабных умножителей 25.1 и 25.2; очищают оперативные запоминающие устройства 24.1, 24.2.

С поступлением результата первого измерения Δϕ₀ из него в вычитателе 20.1 поочередно вычитают возможные значения кратностей -K_0,j·2π, поступающие из запоминающего устройства 19.1. Результаты умножают в умножителе 21.1 на значения sinα(0+1), поступающие из запоминающего устройства 19.2, умножают на множитель 2, поступающий с выхода запоминающего устройства 19.3 и суммируют в сумматоре 23.1 с содержимым ячеек оперативного запоминающего устройства 24.1 (первоначально - с нулевыми значениями) и вновь запоминают в 24.1. Одновременно, результаты с выхода вычитателя 20.1 возводят в квадрат в квадраторе 22.1, умножают на множитель 2, поступающий с выхода запоминающего устройства 19.3, и суммируют в сумматоре 23.2 с содержимым ячеек оперативного запоминающего устройства 24.2 и вновь запоминают в 24.2.

С получением очередного значения Δϕ₁, процесс обработки повторяют и, после обработки четырех значений разности фаз, с выхода сумматора 23.1 получают значения S₁(j), а с выхода сумматора 23.2 - значения S₃(j). Величины S₁(j) и S₃(j) преобразуют в блоках 22.2, 25.1, 20.2 в значения дисперсии разности фаз (5). В устройстве 27 предшествующее (по j) значение дисперсии, хранящееся в запоминающей ячейке 26.2, сравнивают в компараторе 28 с текущим значением и при его превышении на выходе компаратора вырабатывают сигнал логической 1. По этому сигналу в запоминающей ячейке 26.1 регистрируют значение S₁(j), поступающее с выхода сумматора 23.1, а в запоминающей ячейке 26.2 текущее значение дисперсии. Таким образом, после завершения обработки первой группы разностей фаз в запоминающей ячейке 26.2 фиксируется минимум дисперсии, а в запоминающей ячейке 26.2 - соответствующее положению минимума значение S₁(j_min).

В масштабном умножителе 25.2 нормируют значение S₁(j_min), умножая его на величину 1/S₂, и получают оценку набега фаз .

Аналогично изложенному, по разностям фаз Δψ_m между сигналами группы антенн (2), оценивают набег фаз .

По полученным набегам фаз в блоке определения углов прихода 14 получают оценку двухмерного пеленга. Для этого оценочные значения набегов фаз в блоке линейного преобразования 15 нормируют на параметр разноса

Если число антенн не кратно степени 2 блок линейного преобразования реализует функцию общего вида

На завершающей стадии работы радиопеленгатора в функциональном преобразователе 16 определяют модуль и фазу вектора Z=U'+i·V', где i - мнимая единица, образованного из нормированных значений набегов фаз. Значение фазы этого вектора выдается на первый выход преобразователя 16 и является оценкой азимутального пеленга . Модуль дополнительно преобразуется в функциональном преобразователе 17 с получением на его выходе оценки угломестного пеленга . Результаты оценки двухмерного пеленга , выдают на выход радиопеленгатора.

Модель описанного 16-канального радиопеленгатора для определения двухмерного пеленга, подтверждающая его работоспособность, показана на фиг.3. Радиус решетки равен 27 м. Регулируемыми параметрами в модели являются длина волны излучения (не менее 10 м), отношение сигнал - шум, азимут и угол места. Необходимое при конкретной длине волны количество комбинаций кратностей определяется автоматически непосредственно в модели.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение скорости пеленгования.

По сравнению с прототипом это достигается уменьшением числа шкал многошкального измерителя разности фаз 13 примерно в два раза и в 1,5 раза - числа комбинаций кратностей. В совокупности это позволяет сократить число операций над сигналами, прежде всего при многошкальных измерениях набегов фаз, и в 3 раза повысить скорость пеленгования.

Предлагаемый радиопеленгатор для определения двухмерного пеленга отличается от прототипа, во-первых, наличием новых элементов и связей между ними: введены формирователь импульсов и, между выходом умножителя комплексных чисел и входом устройства определения разности фаз, управляемый накапливающий сумматор, вход управления которого соединен с выходом формирователя импульсов, к входу которого подключен выход тактового генератора, во-вторых, новой формой выполнения элементов: число шкал многошкального измерителя набега фаз сокращено примерно в два раза до значения , где - операция выделения целой части числа, заключенного в скобки, N≥8.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков не была выявлена.

Основу предлагаемого технического решения составляет учет того факта, что в кольцевых антенных решетках с четным N числом антенн, взаимные удаления антенн попарно одинаковы в двух группах, векторы, соединяющие пары антенн в которых коллинеарны. Это позволяет попарно усреднять произведения комплексных амплитуд, снизить количество измерений разностей фаз, уменьшить число шкал многошкального измерителя набега фаз и тем самым повысить скорость пеленгования.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано в системах определения местоположения источников радиоизлучения. Технический результат - повышение скорости пеленгования, достигается тем, что в радиопеленгаторе для определения двухмерного пеленга, содержащем кольцевую эквидистантную антенную решетку с четным N числом антенн, N - канальный цифровой радиоприемник, N-канальный измеритель комплексной амплитуды, N входное буферное запоминающее устройство, умножитель комплексных чисел, тактовый генератор, устройство определения разности фаз, многошкальный измеритель набега фаз и блок определения углов прихода радиоволн, введены формирователь импульсов и управляемый накапливающий сумматор. 3 ил.

Радиопеленгатор для определения двухмерного пеленга, содержащий последовательно соединенные кольцевую эквидистантную антенную решетку с четным N числом антенн, N-канальный цифровой радиоприемник, N-канальный измеритель комплексной амплитуды и N-входное буферное запоминающее устройство, два выхода которого соединены с соответствующими входами умножителя комплексных чисел, а также тактовый генератор, выход которого подключен к управляющему входу буферного запоминающего устройства, последовательно соединенные устройство определения разности фаз, многошкальный измеритель набега фаз и блок определения углов прихода радиоволн, отличающийся тем, что введены формирователь импульсов и между выходом умножителя комплексных чисел и входом устройства определения разности фаз управляемый накапливающий сумматор, вход управления которого соединен с выходом формирователя импульсов, к входу которого подключен выход тактового генератора, причем число шкал многошкального измерителя набега фаз равно где - операция выделения целой части числа, заключенного в скобки, N≥8.