СПОСОБ МНОГОСИГНАЛЬНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ НА ОДНОЙ ЧАСТОТЕ ДЛЯ КРУГОВОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2013 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации. Многосигнальная пеленгация источников радиоизлучения (ИРИ) имеет место в процессе мониторинга радиоэлектронной обстановки при многолучевом распространении радиоволн, воздействии преднамеренных и непреднамеренных помех, отражениях сигнала от различных объектов и слоев атмосферы.

Задача радиопеленгации является некорректной. Большинство методов многосигнальной пеленгации на одной частоте, описанных в литературе, опираются на статистические методы проверки гипотез, на метод максимума правдоподобия, сверхразрешающие методы (например, MUSIC) и др. Однако задача пеленгации ИРИ как некорректная задача не может быть решена надежно ни статистическими методами, достоверность результата которых определяется точностью полученных оценок параметров сигналов; ни методом наименьших квадратов (МНК) в силу нелинейности и плохой обусловленности решаемой системы уравнений; ни сверхразрешающими методами, которые дают приемлемые результаты лишь при высоких соотношениях сигнал/шум и не обеспечивает разрешение ИРИ, имеющих близкие по значениям пеленги.

Все способы пеленгации имеют много общего: радиосигналы источников принимают посредством антенной системы (АС), получают комплексные амплитуды сигналов на выходах элементов антенн (вектор амплитудно-фазового распределения (АФР)) и по этим данным определяют значения параметров сигналов. Отличие состоит в том, по каким алгоритмам обрабатывают зарегистрированные антенной системой сигналы.

Известны способы пеленгации с повышенной разрешающей способностью [1, 2].

В патенте [2] задача решается с помощью l_P-регуляризации. Этот способ требует достаточно много времени для обработки сигнала, что не позволяет его применить в оперативной обстановке, и квалифицированных операторов, т.к. в методе необходимо для каждого измерения задавать значения параметра регуляризации и показатель степени регуляризирующего (функционала. Однозначных подходов для их выбора не существует.

Поэтому в качестве прототипа принят способ, описанный в патенте [1]: Способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте включает в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной АС, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента ЛС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор АФР y(u,θ,β), описывающий распределение амплитуд и фаз на элементах АС.

Способ-прототип обладает следующими недостатками:

- предназначен для линейных, а не круговых АС;

- для круговой АС не удается свести задачу к системе алгебраических уравнений, в которых неизвестные переменные имеют целочисленные показатели степени;

- нельзя исключить неизвестные амплитуды сигналов на первом этапе решения задачи, тем самым раздельно определить амплитуды сигналов и пеленги излучателей;

- не всегда требуется дополнительная операция для раздельного определения азимутальных θ и угломестных β пеленгов.

Указанные недостатки не позволяют применять прототип в реальных условиях для которых АС, которые более компактны и распространены, чем линейные АС.

Предлагаемый способ свободен от указанных недостатков и является параметрическим методом многосигнального пеленгования на одной частоте. Сигналы рассматриваются как детерминированные, подверженные аддитивной помехе, оценки параметров которых подлежат определению. В качестве АС рассматривается круговая АС, состоящая из нескольких слабонаправленных элементов (вибраторов). В качестве фазового центра (точки, относительно которой происходит измерение фаз сигналов, приходящих на элементы антенной системы) выбирается один из вибраторов.

Ставят задачу определения следующих параметров присутствующих в эфире ИРИ:

- амплитуды (мощности) излучаемых сигналов;

- азимутальных и угломестных пеленгов ИРИ,

- исключения дополнительной операции для раздельного определения азимутальных θ и угломестных β пеленгов,

- для повышения быстродействия выполнения последовательности простых математических операций, не требующих больших вычислительных затрат.

Задача изобретения - свести обработку реальных сигналов ИРИ к простейшим формулам, чтобы минимизировать время вычислительной обработки для определения пеленга.

В изобретении задача решается следующим образом: способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ) на одной частоте включает в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной АС, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента АС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор амплитудно-фазового распределения (АФР) у(u,θ,β), описывающий распределение на элементах АС амплитуд u и фаз, определяющих θ и β - азимутальный и угломестный пеленги ИРИ соответственно. При этом получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС (и с заданными значениями вектора в азимутальных пеленгов в заданном диапазоне) системы уравнений для m-го элемента АС:

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{l=1}^N(u_i\exp (j{\alpha }_i){\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_{il}\sin {\gamma }_m})}}$$ ; m∈[1,M]

где ξ_i=exp(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i);

u_iexp(jα_i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ;

R - радиус АС;

λ - длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;

α_i - начальная фаза i-го сигнала;

γ_m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов;

М - количество элементов (вибраторов) круговой АС;

К - количество различных сигналов ИРИ (или количество ИРИ);

N - количество заданных дискрет азимутального пеленга;

далее на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд u_iexp(jα_i) и значений ξ_i, которые вместе с заданными значениями θ_i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов β_i через санкцию арккосинус из условия: ξ_i=ехр(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом посредством операций:

1. Задается диапазон только азимутальных пеленгов θ, в котором могут находиться излучаемые сигналы, например, от 0 до 360 градусов. Вектор этих значений или система таких векторов являются одной из характеристик круговой АС и формируется до проведения измерений.

2. Формируется система алгебраических уравнений размерностью М на N, М - число элементов AC, N - число дискрет азимутальных пеленгов в выбранном диапазоне (обычно этот диапазон равен 360°, тогда в простейшем случае при постоянном шаге Δθ изменения азимутального пеленга θ количество дискрет N=360/Δθ). Уравнения АС имеют следующий вид:

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{l=1}^N(u_i\exp (j{\alpha }_i){\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_{il}\sin {\gamma }_m});m\in [\mathrm{1,}M](1)}}$$

Эта система уравнений также является одной из характеристик круговой АС и формируется до проведения измерений.

3. Физические радиосигналы от К ИРИ принимают в реальном времени посредством круговой АС, содержащей М элементов (вибраторов).

4. Получают комплексные амплитуды сигналов на выходах антенн (вектор АФР). m-й элемент вектора АФР имеет вид

$$y_m={\displaystyle \sum _{i=1}^K{u}_i\exp \left\{j{\varphi }_m({\theta }_i,{\beta }_i)\right\}+n_m(2)}$$

где К - количество ИРИ, u_i - амплитуда сигнала i-го ИРИ, φ_m(θ_i,β_i) - фаза сигнала i-го ИРИ на m-м элементе АС (вибраторе), зависящая от азимутального и угломестного пеленгов i-го ИРИ θ_i и β_i соответственно, n_m - шум, имеющий место на m-м элементе (вибраторе), включающий в себя шум мирового фона и аппаратуры.

5. Комплексные амплитуды сигналов на выходах антенн (вектор АФР) поступают в вычислитель через M-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), далее блок восстановления АФР, то есть получение дискретных комплексных значений огибающих сигналов.

Процедуру определения параметров в блоке идентификации параметров осуществляют на основе синхронного измерения выходов элементов М-элементной круговой АС в моменты времени t (примечание: увеличить число уравнений в системе (1) для повышения точности решения можно путем учета значений вектора АФР, полученного в различные моменты времени).

Выход y_m m-го элемента круговой АС имеет вид

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{u}_i\exp (j(2\pi R/\lambda )\cos ({\theta }_i-{\gamma }_m)\cos {\beta }_i+{\alpha }_{{}^i})}(3)$$

где u - вектор амплитуд (мощностей) сигналов, излучаемых ИРИ;

θ, β - векторы азимутальных и угломестных пеленгов ИРИ соответственно;

R - радиус АС;

λ - длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;

α_i - начальная фаза i-го сигнала (i-го ИРИ);

γ_m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент, и линией отсчета азимутальных пеленгов.

Применим к (3) простейшие преобразования

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{y}_i\exp (j{\alpha }_i)\exp (j(2\pi R/\lambda )\cos ({\theta }_i-{\gamma }_m)\cos {\beta }_i)}$$ .

Обозначим $${\xi }_i=\exp (j(2\pi R/\lambda )\cos ({\theta }_i)\cos {\beta }_i).(4)$$

Тогда ((2πR/λ)cos(θ_i-γ_m)cosβ_i)/((2πR/λ)cos(θ_i)cosβ_i)=cosγ_m+tgθ_isinγ_m.

Отсюда ((2πR/λ)cos(θ_i-γ_m)cosβ_i)=((2πR/λ)cos(θ_i)cosβ_i)(cosγ_m+tgθ_isinγ_m)

или

$$\begin{array}{l}\exp (j(2\pi R/\lambda )\cos ({\theta }_i-{\gamma }_m)\cos {\beta }_i)=\\ {(}^{\exp }={\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_i\sin {\gamma }_m},т.е.\end{array}$$

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K(u_i\exp (j{\alpha }_i)={\displaystyle \sum _{i=1}^K{u}_i\exp (j{\alpha }_i){\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_i\sin {\gamma }_m};m\in [\mathrm{1,}M],(5)}}$$

A_i=u_iexp(jα_i) - комплексная амплитуда i-го сигнала.

Получили систему алгебраических уравнений (5). Для ее решения в вычислителе сформирована сетка по θ $$(\theta \ne \frac{\pi }{2}\pm n\pi )$$ для каждого поступающего сигнала, например, θ∈[0,360], Δθ=1 (тогда N=360/1=360). Получаем систему, в которой для каждого i-го сигнала задается набор значений θ_il:

$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{l=1}^N(u_i\exp (j{\alpha }_i){\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_{il}\sin {\gamma }_m});m\in [\mathrm{1,}M].(6)}}$$

6. Введенное преобразование (4) позволяет разделить определение параметров сигналов на два шага, что обеспечивает получение более устойчивого к помехам решения. Процесс решения состоит из двух шагов: сначала из системы (6) найдем оценки комплексной амплитуды u_iexp(jα_i), θ_i и ξ_i. Зная ξ_i и θ_i, по определению (4) найдем угломестный пеленг β_i посредством тригонометрической функции арккосинус.

7. В вычислитель поступает предварительно ранее сформированная система уравнений (6) при заданных значениях азимута θ_il и вектор АФР. На выходе вычислителя получают комплексную амплитуду u_iexp(jα_i), значения θ_i и ξ_i. Значения θ_i и ξ_i подают в блок вычисления угломестного пеленга β_i согласно определению (4).

8. Дисперсии полученных оценок определяют как дисперсии функции случайного аргумента. На основе полученных дисперсий строят соответствующие доверительные интервалы [3].

Операции способа поясняются Фиг.1 - структурной схемой устройства пеленгации.

Изложенный способ обладает высоким быстродействием, т.к. не содержит в себе операции, требующих больших вычислительных затрат.

Пример

Задана круговая АС с двумя элементами (вибраторами), отстоящими друг от друга на угол 30 градусов, то есть γ_i=0; $${\gamma }_2=\frac{\pi }{6}$$ .

Запишем для двух сигналов 1-е и 2-е уравнения из системы (6). В примере отразим тот факт, что для каждого сигнала ряды значений азимутального пеленга θ могут быть различными (например, на весь интервал 360 градусов дискретность изменения азимутального пеленга может быть различной - от долей до нескольких градусов):

$$\begin{array}{l}{y}_1(u,\theta ,\beta )=u_1\exp (j{\alpha }_1){\xi }_1^{\cos 0+tg{\theta }_{11}\sin 0}+\dots +u_1\exp (j{\alpha }_1){\xi }_1^{\cos 0+tg{\theta }_{\mathrm{1,360}}\sin 0}+\\ +u_2\exp (j{\alpha }_2){\xi }_2^{\cos 0+tg{\theta }_{\mathrm{2,1}}}{}^{\sin 0}+\dots +u_2\exp (j{\alpha }_2){\xi }_2^{\cos 0+tg{\theta }_{\mathrm{2,360}}\sin 0}\end{array}$$

$$\begin{array}{l}{y}_2(u,\theta ,\beta )=u_1\exp (j{\alpha }_1){\xi }_1^{\cos \frac{\pi }{6}+tg{\theta }_{11}\sin \frac{\pi }{6}}+\dots +u_1\exp (j{\alpha }_1){\xi }_1^{\cos \frac{\pi }{6}+tg{\theta }_{\mathrm{1,360}}\sin \frac{\pi }{6}}+\\ +u_2\exp (j{\alpha }_2){\xi }_2^{\cos \frac{\pi }{6}+tg{\theta }_{\mathrm{2,1}}\sin \frac{\pi }{6}}+\dots +u_2\exp (j{\alpha }_2){\xi }_2^{\cos \frac{\pi }{6}+tg{\theta }_{\mathrm{2,360}}\sin \frac{\pi }{6}}\end{array}$$

При заданных значениях y₁(u,θ,β),…, y₂(u,θ,β) и θ, решая приведенную систему уравнений, находим оценки искомых параметров. Заметим, что для конкретной круговой АС система уравнений (6) (исключая столбец y₁(u,θ,β),…, y₂(u,θ,β) будет составлена заранее.

Для нового измерения (наблюдения) той же АС достаточно ввести новый столбец измеренных значений y₁(u,θ,β),…, y₂(u,θ,β). И далее в процессе работы системы в вычислитель вводят только конкретный результат измерений для всех элементов (вибраторов) круговой AC - только левую часть уравнений (6), то есть значения y₁(u,θ,β),…, y₂(u,θ,β) и θ.

Таким образом, для получения пеленгов достаточно выполнения последовательности простых математических операций, не требующих больших вычислительных затрат.

Источники информации

1. Грешилов А.А. Патент RU 2380719, МПК G01S 5/04, опубл. 27.01.2010.

2. Грешилов А.А., Плохута П.А. Патент RU 2382379, МПК G01S 5/04, опубл. 20.02.2010.

3. Грешилов А.А. Математические методы принятия решений: Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 584 с.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации. Достигаемый технический результат - повышение скорости пеленгации при приеме радиосигналов нескольких источников радиоизлучения, работающих на одной частоте, с использованием круговых антенных систем (АС), состоящих из слабонаправленных элементов (вибраторов). Повышение скорости пеленгации достигается за счет использования эффективного алгоритма идентификации параметров радиосигналов, а именно получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель системы уравнений, сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС и при заданных значениях азимутальных пеленгов θ_k в заданных диапазонах: ; m∈[1,m] ξ_i=ехр(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i) u_iexp(jα_i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ; R - радиус AC; λ - длина волны сигнала, излучаемого ИРИ; α_i - начальная фаза i-го сигнала; γ_m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов; М - количество элементов (вибраторов) круговой АС; К - количество ИРИ; N - количество заданных дискрет азимутального пеленга; на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд u_iexp(jα_i) и значений ξ_i, которые вместе с заданными значениями θ_i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов β_i через функцию арккосинус из условия: ξ_i=ехр(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i). 1 ил.

Способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ) на одной частоте, включающий в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной антенной системы (АС), синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента АС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор амплитудно-фазового распределения (АФР) y(u,θ,β), описывающий распределение на элементах АС амплитуд и фаз, содержащих θ и β - азимутальные и угломестные пеленги ИРИ соответственно, отличающийся тем, что получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель системы уравнений, сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС и при заданных значениях азимутальных пеленгов θ в заданных диапазонах:
$$y_m(u,\theta ,\beta )={\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{l=1}^N(u_i\exp (j{\alpha }_i){\xi }_i^{\cos {\gamma }_m+tg{\theta }_{il}\sin {\gamma }_m})}}$$ ; m∈[1,M],
где ξ_i=ехр(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i);
u_iexp(jα_i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ;
R - радиус АС;
λ - длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;
α_i - начальная фаза i-го сигнала;
γ_m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов;
М - количество элементов (вибраторов) круговой АС;
К - количество различных сигналов ИРИ (или количество ИРИ);
N - количество заданных дискрет азимутального пеленга;
далее на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд u_iexp(jα_i) и значений ξ_i, которые вместе с заданными значениями θ_i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов β_i через функцию арккосинус из условия: ξ_i=ехр(j(2πR/λ)cosθ_icosβ_i).