СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ С НАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННОЙ Российский патент 2012 года по МПК G01S5/06 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к пассивной радиолокации, и может быть использовано в системах радиоконтроля при решении задачи скрытного определения координат объектов-носителей источников радиоизлучения (ИРИ) с направленными антеннами.

Общий недостаток, свойственный пассивной радиолокации, является следствием того факта, что из-за отсутствия информации о времени излучения сигнала дальность до источника излучения не может быть определена по данным приема только в одном пункте. Поэтому для определения всех координат излучающего объекта требуется комплекс из двух или более разнесенных пунктов приема, объединенных каналами связи [1].

Широко известен триангуляционный способ определения дальности до источника излучения, основанный на измерении направлений (пеленгов) на излучающий объект минимум в двух приемных пунктах (в одной плоскости), разнесенных на некоторое известное расстояние, называемое измерительной базой, и вычислении дальности до объекта по двум пеленгам и измерительной базе [2, с.494], [3].

Недостатки способа:

- требует для реализации большого аппаратурного состава - не менее двух радиопеленгаторов;

- требуются большие расстояния между приемными пунктами-пеленгаторами;

- необходимы каналы связи (радиосвязи) для передачи принятых сигналов в пункт вычисления координат источника излучения.

Также известен угломерно-разностно-дальномерный способ, основанный на измерении направления на ИРИ и разности расстояний от него до приемных пунктов. При измерении координат на плоскости достаточно иметь минимум два приемных пункта. Недостатки способа - такие же, как и в предыдущем случае, но аппаратура для реализации способа может быть проще, т.к. достаточно лишь в одном из двух приемных пунктов иметь пеленгатор, измеряющий направление на ИРИ [2, с.497], [4].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому следует считать разностно-дальномерный способ, принятый в качестве прототипа. Способ основан на измерении разности расстояний (или разности временных задержек сигнала) от источника излучения до пунктов приема. Для определения координат на плоскости (дальность и пеленг) необходимо знать расстояния между пунктами приема и измерить хотя бы две разности временных задержек сигнала, т.е. иметь минимум три пункта приема [2, с.496], [5].

Разностно-дальномерный способ включает:

- обнаружение и измерение параметров сигналов ИРИ;

- идентификацию сигналов по измеренным параметрам сигналов;

- измерение временных задержек между идентифицированными сигналами;

- вычисление дальности до ИРИ по известным расстояниям между приемными пунктами и измеренным временным задержкам между принятыми сигналами.

Недостатки способа-прототипа:

- большая измерительная база (расстояния между приемными пунктами), зачастую соизмеримая с дальностью до ИРИ, что не позволяет реализовать способ на одном подвижном объекте (корабль, самолет);

- наличие каналов связи (радиосвязи) для передачи сигналов в пункт вычисления задержек сигналов и дальности до ИРИ.

Целью изобретения является устранение недостатков способа-прототипа, а именно:

- уменьшение измерительной базы до величины, приемлемой для объекта-носителя аппаратуры измерения дальности;

- исключение каналов связи (радиосвязи), что позволяет реализовать способ пассивного определения дальности до ИРИ на подвижных объектах.

Техническим результатом изобретения является возможность пассивного определения дальности до ИРИ с направленной антенной, ориентированной главным лепестком на антенну пеленгатора, причем последняя образует с антеннами дополнительных приемных пунктов измерительную базу, существенно меньшую по размерам, чем при реализации известного разностно-дальномерного способа определения дальности, что, в свою очередь, позволяет исключить каналы связи (радиосвязи) для передачи принятых сигналов в пункт вычисления дальности и, в целом, использовать предлагаемый способ на подвижных объектах. Для достижения указанного технического результата предлагается способ определения дальности до источника радиоизлучения с направленной антенной, включающий:

- обнаружение, пеленгование сигналов ИРИ и измерение их параметров радиопеленгатором;

- обнаружение и измерение параметров сигналов ИРИ двумя или более дополнительными приемными пунктами, антенны которых образуют с антенной пеленгатора измерительную базу;

- идентификацию сигналов дополнительных приемных пунктов с сигналами, обнаруженными пеленгатором;

- запоминание амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ;

- запрос по совокупности измеренных параметров сигналов ИРИ базы данных ранее разведанных ИРИ с целью установления типа ИРИ и ширины его антенного луча;

- настройку генератора калибровки в соответствии с измеренными несущей частотой и амплитудой сигнала ИРИ;

- калибровку по амплитуде приемных каналов пеленгатора и дополнительных приемных пунктов;

- корректировку по результатам калибровки запомненных амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ;

- расчет ширины антенного луча, выраженной в линейных единицах, по скорректированным значениям амплитуд при использовании аппроксимации антенного луча в главном лепестке;

- определение дальности до ИРИ в виде отношения рассчитанной ширины антенного луча в линейных единицах к извлеченному из базы данных значению ширины антенного луча в угловой радианной мере.

Сущность предлагаемого способа и результаты моделирования поясняются чертежами.

Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего способ определения дальности до ИРИ с направленной антенной.

Фиг.2. Взаимное расположение ИРИ, радиопеленгатора и дополнительных приемных пунктов.

Фиг.3. Главный лепесток луча антенны ИРИ, измеренный в линейных единицах.

Фиг.4. Возможные варианты расположения проекции трехточечной измерительной базы относительно главного луча антенны ИРИ.

Фиг.5. Ошибка определения дальности.

На чертежах приняты следующие обозначения.

Фиг.2: N - направление на север;

1 - радиопеленгатор;

2, 3 - дополнительные приемные пункты;

4 - главный лепесток луча антенны ИРИ;

К - курс носителя пеленгатора и совпадающее с ним направление измерительной базы;

d₀ - расстояние между приемными пунктами 1 и 2, 2 и 3;

- проекция расстояния d₀ на плоскость фронта сигнала от ИРИ;

Е₁, Е₂, Е₃ - напряженность поля сигнала ИРИ в пунктах приема 1, 2, 3;

β - угол охвата лучом антенны ИРИ крайних точек измерительной базы.

R - дальность до ИРИ.

Фиг.3: E₀ - напряженность поля, соответствующая максимуму антенного луча ИРИ;

Θ_лин - ширина антенного луча ИРИ в линейной мере на уровне минус 3 дБ от максимума;

х₁, х₂, х₃ - линейные отклонения приемных пунктов 1, 2 и 3 от максимума антенного луча.

Фиг.4: - величина проекции трехточечной измерительной базы на плоскость фронта сигнала от ИРИ;

1, 2, 3, 4 - варианты положения проекции трехточечной измерительной базы относительно антенного луча ИРИ.

Фиг.5: - проекция трехточечной измерительной базы на плоскость фронта сигнала ИРИ.

- среднеквадратическая ошибка от истинной дальности.

1, 2, 3, 4 - варианты положения проекции измерительной базы (см. фиг.4).

Способ определения дальности до ИРИ с направленной антенной осуществляется следующим образом.

1. Сигнал ИРИ обнаруживается как пеленгатором, так и дополнительными приемными пунктами, причем антенны последних образуют с антенной пеленгатора измерительную базу.

2. Производится измерение необходимых для идентификации параметров обнаруженных сигналов (несущая частота, длительность и пр.), а также измеряются:

- направление прихода сигналов - пеленг на ИРИ (достаточно выполнить только по сигналам пеленгатора);

- амплитуды сигналов, пришедших одновременно;

- направление линии измерительной базы (курс свой при расположении пеленгатора на носителе, а антенн пеленгатора и дополнительных приемных пунктов - в диаметральной плоскости носителя),

и выполняется идентификация принятых сигналов, принадлежащих одному и тому же ИРИ.

3. Осуществляется запоминание амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ.

4. По совокупности измеренных параметров сигналов ИРИ осуществляется запрос базы данных ранее разведанных ИРИ с целью установления типа ИРИ и ширины его антенного луча.

5. В соответствии с измеренными несущей частотой и амплитудами сигнала ИРИ на выходах приемных каналов настраивается генератор калибровки и производится калибровка по амплитуде приемных каналов пеленгатора и дополнительных приемных пунктов.

6. По результатам калибровки корректируются запомненные амплитуды идентифицированных сигналов ИРИ.

7. По скорректированным амплитудам, используя аппроксимацию антенного луча в главном лепестке, рассчитывается ширина антенного луча, выраженная в линейных единицах - долях проекции измерительной базы на плоскость фронта приходящих от ИРИ сигналов, как показано на фиг.2.

Главный лепесток луча антенны ИРИ хорошо аппроксимируется выражением [6, стр.47]:

где Θ_угл - угловая ширина антенного луча на уровне минус 3 дБ от максимума;

Θ - угол отклонения от максимума;

Е₀, Е - напряженность поля в максимуме антенного луча и при отклонении от максимума на угол Θ;

е - основание натуральных логарифмов.

Если величины Е и Е₀ измерены на приемной стороне в децибелах относительно единичного шума, то

Далее все величины Е (Е₀, Е₁, Е₂, Е₃) выражаются в децибелах.

При большой дальности до ИРИ антенный луч может быть представлен в линейной мере:

где х - линейное отклонение от максимума антенного луча;

Θ_лин - ширина антенного луча на уровне минус 3 дБ в линейной мере.

За линейную меру принимается - доля проекции измерительной базы где n - число дополнительных (кроме пеленгатора) приемных пунктов, согласно фиг.2:

где d₀ - расстояние между соседними приемными пунктами;

К - курс носителя пеленгатора (пеленг на измерительную базу);

П - пеленг ИРИ, измеренный пеленгатором.

Для восстановления луча антенны ИРИ достаточно трех амплитуд сигналов: от пеленгатора и двух приемных пунктов. Действительно, значения напряженности поля в точках 1, 2, 3 (фиг.2 и фиг.3) или пропорциональных им напряжений на выходах приемных каналов равны:

они характеризуют один и тот же антенный луч вида (1) или (2), т.е. образуют систему уравнений. Поскольку (фиг.3)

три уравнения (5) можно преобразовать в систему из двух уравнений:

решая которую, находим:

расчетное (по результатам измерений величин Е₁, Е₂, Е₃) значение максимума антенного луча

и ширину антенного луча в линейной мере

Из двух последних выражений следует выбрать то, у которого знаменатель больше, чтобы уменьшить влияние случайных ошибок измерения величин Е₁, Е₂, Е₃.

8. Определяется дальность до ИРИ как отношение ширины антенного луча в линейных единицах к извлеченному из базы данных значению ширины антенного луча ИРИ в угловой радианной мере.

Эта операция основывается на пропорциональности соответствующих величин в угловой и линейной мере:

где - проекция измерительной базы на плоскость фронта приходящих от ИРИ сигналов;

β - угол охвата лучом антенны ИРИ крайних точек измерительной базы (проекции измерительной базы),

откуда угол охвата

и дальность до ИРИ

где Θ_угл[рад] - извлеченная из базы данных ширина антенного луча ИРИ в радианной мере.

Устройство (фиг.1) с трехточечной измерительной базой, в котором реализуется предложенный способ, содержит пеленгатор 1 с антенной 2 и приемником 3 и два дополнительных приемных пункта 4, 7 с антеннами 5, 8 и приемниками 6, 9. Выходы приемников 3, 6, 9 соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10. Генератор калибровки 11 имеет одинаковые по уровню сигналов выходы, соединенные со входами приемников 3, 6 и 9. Выходы многоканального АЦП 10 подключены к последовательному соединению: блок обнаружения, измерения параметров сигналов и их идентификации 12, блок запоминания амплитуд идентифицированных сигналов и их корректировки по результатам калибровки 13, блок вычисления ширины антенного луча ИРИ в линейной мере 14 и блок определения дальности до ИРИ 15, выход которого является выходом устройства. Блок обнаружения, измерения параметров сигналов и их идентификации 12 также соединен со входом управления генератора калибровки 11, адресным входом базы данных 16 и своим выходом пеленга ИРИ - с блоком вычисления проекции измерительной базы на плоскость фронта сигнала ИРИ 17. На два других входа блока 17 подаются сигналы «КУРС СВОЙ» и «ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ БАЗА», а его выход соединен с блоком вычисления ширины антенного луча ИРИ в линейной мере 14. Выход базы данных 16 соединен с другим входом блока определения дальности до ИРИ 15.

Пеленгатор 1 может быть различного типа и иметь неподвижную или сканирующую пеленгационную антенну 2, одноканальный или многоканальный приемник 3; в последнем случае выходов на АЦП будет несколько, а не один, как показано на фиг.1, что не принципиально для реализации предложенного способа.

Дополнительные приемные пункты 4 и 7 должны позволять принимать в частотном и динамическом диапазонах те же сигналы, что и пеленгатор, и в отличие от пеленгатора их антенны 5 и 8 и приемники 6 и 9 могут быть выполнены существенно проще аппаратурно. Многоканальный АЦП 10 управляется общим для всех своих каналов тактовым генератором (на фиг.1 не показан) с возможностью точного отсчета моментов времени, что необходимо для измерения параметров сигналов. Начиная с выходов АЦП, ведется обработка цифровых кодов сигналов, принятых пеленгатором 1 и дополнительными приемными пунктами 4 и 7, и она может быть осуществлена как аппаратным построением, так и программным путем в ЭВМ вплоть до вывода значения дальности ИРИ.

Устройство, реализующее способ определения дальности до ИРИ, работает следующим образом.

Излученные неподвижной (допустимо и сканирующей) направленной антенной сигналы ИРИ одновременно принимаются пеленгационной антенной 2 и антеннами 5 и 8, образующими измерительную базу, усиливаются и переносятся на промежуточную (или видео) частоту в приемниках 3, 6 и 9 и по радиочастотным кабелям передаются от антенных постов 1, 4 и 7 к рубочной аппаратуре, входным каскадом которой является многоканальный АЦП 10. Напряжения, поступающие на входы многоканального АЦП 10 (внутриприемные шумы и сигналы от ИРИ) преобразуются в АЦП в цифровые коды отсчетов с тактовой частотой, отвечающей полосе наиболее широкополосных принимаемых сигналов. Эти отсчеты подвергаются обработке в дальнейшей части рассматриваемого устройства. Блок 12 осуществляет обнаружение сигналов, фиксируя при этом их амплитуды, измерение параметров обнаруженных сигналов и идентификацию сигналов (т.е. принадлежность их одному и тому же ИРИ), принятых пеленгатором 1 и дополнительными приемными пунктами 4 и 7. Если сигналы идентифицированы, производится запись их амплитуд в блоке 13, по совокупности измеренных параметров - запрос базы данных 16, а по кодам несущей частоты и среднего значения амплитуд сигналов ИРИ - настройка генератора калибровки 11. Настроенный по амплитуде и несущей частоте генератор калибровки 11 обеспечивает на входах приемников 3, 6 и 9 одинаковые по уровню сигналы, при этом прием сигналов ИРИ из эфира прекращается, на входах АЦП 10 формируются амплитуды, разности которых с высокой степенью точности характеризуют разноканальность приемников 3, 6 и 9 на измеренной несущей частоте и в достаточно узкой области динамического диапазона сигналов. По результатам калибровки, а также по известным данным разноканальности пассивных элементов хранящихся в памяти блока 13 (антенны, фидерные тракты, выходы генератора калибровки 11) производится корректировка записанных амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ. По пеленгу на ИРИ, курсу своему носителя пеленгатора и измерительной базе в блоке 17 рассчитывается величина проекции измерительной базы, используя которую, а также скорректированные амплитуды сигналов ИРИ блока 13, по соотношениям (7) и (8) рассчитывается в блоке 14 ширина антенного луча ИРИ в линейной мере, после чего в блоке 15 определяется дальность до ИРИ как отношение этой величины к извлеченному из базы данных 16 значению угловой ширины антенного луча ИРИ, выраженному в радианах.

После определения дальности производится сброс текущей информации в блоках 12, 13, 14, 15 и 17 и возобновляется прием сигналов.

На фиг.5 представлены результаты моделирования, подтверждающие достижимость технического результата изобретения, а именно возможность пассивного определения дальности до ИРИ с направленной антенной, ориентированной главным лепестком на антенну пеленгатора, причем последняя образует с антеннами дополнительных приемных пунктов измерительную базу, существенно меньшую по размерам, чем при реализации известного разностно-дальномерного способа определения дальности, что, в свою очередь, позволяет исключить каналы связи (радиосвязи) для передачи принятых сигналов в пункт вычисления дальности и, в целом, использовать предлагаемый способ на подвижных объектах.

Результаты получены для дальности 50 км при отношении сигнал/шум в месте приема 20 дБ для ИРИ с неподвижной антенной, имеющей θ_угл=1.8°, которым может быть РЛС в режиме автосопровождения, активная головка самонаведения нападающей ракеты, радиостанция с направленным излучением и пр.

Таким образом, за счет введения операций:

- запроса базы данных ранее разведанных ИРИ с целью установления типа ИРИ и ширины его антенного луча по совокупности измеренных параметров сигналов;

- настройки генератора калибровки в соответствии с измеренными несущей частотой и амплитудой сигнала ИРИ;

- калибровки приемных каналов пеленгатора и дополнительных приемных пунктов по амплитуде;

- корректировки запомненных амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ по результатам калибровки;

- расчета ширины антенного луча, выраженной в линейных единицах, по скорректированным значениям амплитуд, используя аппроксимацию антенного луча в главном лепестке;

- определения дальности до ИРИ по отношению ширины антенного луча, выраженной в линейных единицах, к извлеченному из базы данных значению ширины антенного луча ИРИ в угловой радианной мере удается решить поставленную задачу.

Источники информации

1. B.C.Кондратьев, А.Ф.Котов, Л.Н.Марков. Многоканальные радиотехнические системы. - М.: «Радио и связь», 1986.

2. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Я.Д.Ширмана. - М.: «Советское радио», 1970.

3. Патент №2073380 «Многопозиционная система определения местоположения объектов» МПК 7: G01S 5/00, 5/04.

4. Патент №2058563 «Устройство определения расстояния и направления до источника радиоизлучения» МПК 7: G01S 5/12.

5. Патент №2096800 «Дальномерный способ определения местоположения радиостанций по разности прихода радиосигнала по времени в пункты приема» МПК 7: G01S 5/02.

6. Д.Бартон, Г.Вард. Справочник по радиолокационным измерениям. - М.: «Советское радио», 1976.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля при решении задачи скрытного определения координат объектов-носителей источников радиоизлучения (ИРИ) с направленными антеннами. Достигаемым техническим результатом изобретения является возможность пассивного определения дальности до ИРИ с направленной антенной, ориентированной своим главным лепестком на антенну пеленгатора, причем последняя образует с антеннами дополнительных приемных пунктов измерительную базу, существенно меньшую по размерам, чем при реализации известного разностно-дальномерного способа определения дальности, что, в свою очередь, позволяет исключить каналы связи (радиосвязи) для передачи принятых сигналов в пункт вычисления дальности и, в целом, использовать способ на подвижном объекте-носителе пеленгатора. Измерительная база осуществляет съем пропорциональных напряженности поля амплитуд сигналов, по которым восстанавливается главный лепесток антенного луча ИРИ в линейной мере. Определение дальности до ИРИ достигается путем вычисления отношения рассчитанной ширины антенного луча ИРИ в линейных единицах к извлеченному из базы данных значению ширины антенного луча в угловой радианной мере. 5 ил.

Способ определения дальности до источника радиоизлучения (ИРИ) с направленной антенной, включающий обнаружение, пеленгование сигналов ИРИ и измерение их параметров радиопеленгатором, обнаружение и измерение параметров сигналов ИРИ двумя или более дополнительными приемными пунктами, антенны которых образуют с антенной пеленгатора линейную измерительную базу, идентификацию их сигналов с сигналами, обнаруженными пеленгатором, запоминание амплитуд идентифицированных сигналов ИРИ, отличающийся тем, что по совокупности измеренных параметров сигналов ИРИ осуществляют запрос базы данных ранее разведанных ИРИ с целью установления типа ИРИ и ширины его антенного луча, настраивают генератор калибровки в соответствии с измеренными несущей частотой и амплитудой сигнала ИРИ, калибруют по амплитуде приемные каналы пеленгатора и дополнительных приемных пунктов, по результатам калибровки корректируют запомненные амплитуды идентифицированных сигналов ИРИ, по скорректированным значениям амплитуд, используя аппроксимацию антенного луча в главном лепестке, рассчитывают ширину антенного луча, выраженную в линейных единицах, и по отношению последней к извлеченному из базы данных значению ширины антенного луча ИРИ в угловой радианной мере определяют дальность до ИРИ.