СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01S3/02 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в комплексах определения местоположения источников радиоизлучения.

Известны способы пеленгации источников радиосигналов [патент США №6469657, МПК G01S 3/74, опубликован 22.10.2002, патент Российской Федерации №2434239, МПК G01S 3/02, опубликован 20.11.2011], включающие прием сигналов с помощью N идентичных ненаправленных антенн, расположенных в плоскости пеленгации, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровые сигналы, формирование комплексных спектров сигналов с помощью быстрого преобразования Фурье, их запоминание в цифровом виде и определение пеленгов источников радиосигналов путем сравнения спектров с расчетными значениями для различных направлений.

Недостатком известных способов является относительно невысокая чувствительность пеленгации, определяемая принципом обнаружения пеленгуемого сигнала, заключающемся в том, что амплитуды спектральных составляющих сигнала, полученных путем быстрого преобразования Фурье, сравниваются с фиксированным порогом, при превышении которого несколькими из них делается вывод о наличии сигнала на анализируемой частоте и далее вычисляется пеленг источника радиоизлучения. Однако при малой мощности и большой ширине спектра пеленгуемого сигнала обнаружение его спектральных составляющих с заданными вероятностными характеристиками представляет собой сложную задачу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ пеленгации радиосигналов [патент Российской Федерации №2144200, МПК G01S 3/14, G01S 3/74, опубликован 10.01.2000], включающий прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгации, синхронное преобразование сигналов многоканальным приемником, получение спектральных характеристик каждого канала путем измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, разделение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном диапазоне путем запоминания спектров сигналов, определения свертки комплексно- сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, в котором обнаружен сигнал, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона, путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, получая составляющие двумерного углового спектра, по которым формируют двумерный угловой спектр, соответствующий радиосигналу для выбранного частотного поддиапазона, путем перемножения составляющих двумерного углового спектра, выделения максимального модуля компоненты двумерного углового спектра и суждения по значению аргументов максимального модуля компоненты об азимуте и угле наклона фронта волны радиосигнала.

Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточно высокая чувствительность, так как обнаружение полезного сигнала производится, как и в приведенных выше известных аналогах, по превышению спектральными составляющими пеленгуемого сигнала заданного порогового значения.

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый способ пеленгации источников радиоизлучения, является повышение чувствительности пеленгации.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого способа, - обеспечение возможности пеленгации слабых сигналов.

Поставленная задача решается тем, что в способе пеленгации источника радиосигнала, включающем прием сигналов в диапазоне частот ω₀±_ΔΩ с помощью N антенн, расположенных в плоскости пеленгации, синхронное преобразование принятых сигналов U_вхn(t), n=1,2,…,N в цифровые сигналы, формирование комплексных спектров сигналов S_вхn(ω) с помощью быстрого преобразования Фурье, их запоминание в цифровом виде и разбиение на К поддиапазонов S_вхn(ω_k), где каждому отсчету в k-м (k=1,2,…,K) поддиапазоне присваивается порядковый номер p=1,2,…,P, P=L/K, где L - общее количество отсчетов в спектре сигнала S_вхn(ω), согласно заявляемому способу обнаружение сигнала источника проводят путем приема с помощью (N+1)-й антенны, принятой в качестве опорной, сигнала ретранслятора U_вхR(t) в диапазоне частот ω₀±_ΔΩ+ω_R, где ω_R - известный сдвиг несущей частоты ω₀, создаваемый ретранслятором, ω_R=ω"_k- ω'_k, где ω'_k, ω”_k - соответственно принимаемая и излучаемая ретранслятором частота, формирования комплексного спектра сигнала ретранслятора S_вхR(ω) с помощью быстрого преобразования Фурье, его запоминания в цифровом виде и разбиения на К поддиапазонов S_вхR(ω”_k), перемножения в каждом из К поддиапазонов сдвинутого на доплеровскую частоту ω_д=m_Δω_Д, где _Δω_д - разрешающая способность по доплеровской частоте, m=1,2,…,М, ω_дmax=M_Δω_д, и на величину сдвига частоты ω_R комплексно-сопряженного спектра сигнала ретранслятора S*_вхR(ω”_k+ω_д-ω_R) со спектром сигнала S_вх1(ω_k), принятого одной из N антенн, условно принятой за первую, вычисления обратного преобразования Фурье от полученного произведения

для каждого из М возможных значений ω_Д и каждого из Q возможных значений времени задержки сигнала τ=τ_min+q_Δτ, где τ_min - минимально возможная задержка сигнала, q=1,2,…,Q, _Δτ - разрешающая способность по времени запаздывания, τ_max=τ_min+Q_Δτ, и принятия решения о наличии сигнала с соответствующими определенными значениями доплеровского сдвига частоты ω_д0и времени задержки τ₀ при превышении одним из вычисленных значений интеграла Фурье фиксированного порога, а определение азимута источника радиосигнала проводят путем перемножения комплексно- сопряженного спектра сигнала ретранслятора S*_вхR(ω”_k+ω_д0-ω_R) с задержанными на время τ₀ спектрами сигналов S_вхn(ω_k)e^-jωτ ₀, n≠1, каждой из остальных N-1 пеленгационных антенн, определения из полученных нормированных комплексных сигналов

ψ_n(τ₀,ω_д0)/|ψ_n(τ₀,ω_д0)|=ехр{-j[ωτ₀(φ_n-φ_R)]} разностных фаз каждой из N-1 пеленгационных антенн относительно первой антенны

(φ₁-φ_n)=(φ₁-φ_R)-(φ_n-φ_R),

где φ_n,φ_R - начальные фазы сигналов, принятых пеленгационными и опорной антеннами, формирования вектора разностных фаз

φ_k=[0 (φ₁-φ₂)…(φ₁-φ_N)]

и последовательного перемножения этого вектора с матрицей-столбцом весовых функций w_kαi, i=1,2,…,360°/_Δα, где _Δα - разрешающая способность по азимуту, град, элементы которой соответствуют априорно рассчитанной разности фаз сигналов, принятых каждой из пеленгационных антенн относительно первой пеленгационной антенны в k-ом поддиапазоне для каждого из азимутов α_i с требуемым шагом _Δα:

причем за истинное значение пеленга α_i=α₀ принимается значение, соответствующее максимальному значению произведения матриц А(α_i)_max.

Заявляемый способ пеленгации источника радиоизлучения поясняется чертежом. На фиг.1 показано относительное взаимное расположение и перемещение источника радиоизлучения, ретранслятора, пеленгатора и пункта управления, а также излучаемые частоты.

Физическая сущность предлагаемого способа, отличающая его от известных способов, заключается в следующем.

Возможна ситуация, в которой мощность сигнала источника радиоизлучения недостаточна для его обнаружения и пеленгации известными способами, так как эти способы предусматривают обнаружение отдельных спектральных составляющих сигнала, мощность которых заведомо меньше мощности сигнала в целом. В то же время и источник радиоизлучения, например самолет, может не иметь прямой радиосвязи с пунктом управления, что вынуждает его использовать, например, спутниковый ретранслятор (фиг.1). Сигнал слабонаправленных антенн спутникового ретранслятора может быть принят как самим источником радиоизлучения и пунктом управления, так и пеленгатором, причем мощность этого сигнала достаточно велика. Наличие мощного сигнала ретранслятора позволяет использовать его в качестве опорного для корреляционного анализа сигналов, принимаемых пеленгационными антеннами.

Известно [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 2-е. М.: Сов. радио, 1971, 672 с.], что максимальное значение сигнала на выходе коррелятора равно энергии сигнала, что позволяет обнаруживать слабые сигналы, причем, чем больше база сигнала B=τ_{и Δ}F, где τ_и - длительность и _ΔF - ширина спектра сигнала, тем большее значение отношения сигнал/шум обеспечивается на выходе, что значительно повышает вероятность обнаружения сигнала. Конкретная величина выигрыша зависит от базы сигнала В, параметров модуляции (вид модуляции, индекс или глубина модуляции) и параметров цифровой обработки сигнала (частота дискретизации, количество отсчетов) и ряда других факторов.

Положение соответствующего сигнала ретранслятора на частотно-временной плоскости может быть известно априорно или найдено путем перебора возможных вариантов по максимуму взаимной корреляционной функции с сигналами, принятыми пеленгационными антеннами. Неизвестными величинами при этом являются доплеровский сдвиг частоты ω_д0 и временная задержка сигнала τ₀, что также требует проведения поисковых операций с необходимым шагом. Величина возможного значения доплеровской частоты ω_д0 может быть оценена известными методами [Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Том 1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С.Ицхоки. М.: Сов. радио, 1976, 456 с.] исходя из типа источника радиоизлучения и возможных значений его скорости, ускорения и параметров траектории, а также исходя из скорости и траектории движения ретранслятора. На основе этих же данных может быть проведена оценка временной задержки τ₀ ретранслированного сигнала U_вхR(t) относительно прямого U_вхn(t).

Для обеспечения развязки приемного и передающего трактов в ретрансляторе производится сдвиг сигнала по частоте на величину ω_R=ω"_k-ω'_k, который может быть компенсирован одновременно с компенсацией доплеровского сдвига частоты при обработке сигнала опорного канала. Действительно, если частота сигнала источника, принимаемая пеленгационными антеннами в k-м канале равна

ω_k=ω₀=_ΔΩ+ω_д+2k_ΔΩ/K,

а частота сигнала ретранслятора, принимаемого опорной антенной, равна

ω”_k=ω₀=_ΔΩ+ω_R+2k_ΔΩ/K

в предположении, что направление движения источника радиоизлучения перпендикулярно направлению на ретранслятор, то при сдвиге частоты сигнала ретранслятора на величину ω'=ω_R-ω_д она становится равной частоте прямого сигнала:

ω”_k-ω'=ω₀-_ΔΩ+ω_д+2k_ΔΩ/K-ω_R+ω_д=ω_k,

что позволяет производить вычисления взаимной корреляционной функции по формуле (1).

Так как для сигналов с одинаковыми частотами взаимная корреляционная функция зависит от разности фаз [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 2-е. М.: Сов. радио, 1971, 672 с.], то она несет информацию о направлении прихода сигнала на пеленгационные антенны. Операция перемножения векторов (2) эквивалентна взаимной корреляционной обработке реальной разности фаз сигналов, принятых каждой из пеленгационных антенн относительно первой антенны F(φ_1n), с предварительными расчетными значениями этой же разности фаз сигналов, приходящих с каждого из возможных направлений F'(φ_1n, α_i):

Решение об истинном направлении прихода сигнала α_i=α₀ принимается по максимальному значению взаимной корреляционной функции ψ(α_i)_max или, что эквивалентно, по максимальному значению А(α_i)_max (2).

Описанная выше последовательность действий над сигналами реализует заявляемый способ.

Положительный эффект от применения заявляемого способа может быть проиллюстрирован на следующем примере.

Если сигнал источника радиоизлучения на входе пеленгатора представляет собой последовательность импульсов с амплитудой U₀, длительностью τ_и, с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией с девиацией 2f_d и периодом повторения импульсов Т_п, то амплитуда каждой из 2z+1 составляющих его спектра примерно равна

[Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд.2-е. М.: Сов. радио, 1971, с.140].

В то же время амплитуда сигнала на выходе коррелятора может быть представлена в виде

[Гоноровскии И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд.2-е. М.: Сов. радио, 1971, с.47].

Соответственно, отношение амплитуды сигнала на выходе коррелятора к амплитуде спектральной составляющей равно

При τ_и=1 мкс, Т_п=100 мкс и большом значении индекса частотной модуляции (4πf_dτ_и>>1) ширина спектра сигнала равна _ΔF=2f_d=20 МГц, z=2000 и выигрыш в чувствительности теоретически составляет 66 дБ. При отсутствии внутриимпульсной модуляции ширина спектра примерно равна _ΔF≈2/τ_и=2 МГц, z=200 и выигрыш при обнаружении и пеленгации сигнала равен примерно 46 дБ.

Следовательно, заявляемый способ позволяет решить задачу пеленгации слабых сигналов с различными видами модуляции в тех случаях, когда это невозможно сделать другими известными способами.

Изобретение может быть использовано в комплексах определения местоположения источников радиоизлучения. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности пеленгования слабых сигналов. Способ пеленгования включает когерентный прием прямых радиосигналов пеленгационной антенной решеткой, а также прием ретранслированного сигнала источника дополнительной антенной. Высокая чувствительность при обнаружении сигнала достигается за счет нахождения взаимной корреляционной функции прямого и ретранслированного сигнала, а пеленгация проводится на основе анализа относительных фазовых характеристик взаимных корреляционных функций ретранслированного сигнала и сигналов, принятых каждой из пеленгационных антенн. 1 ил.

Способ пеленгации источника радиосигнала, включающий прием сигналов в диапазоне частот ω₀±_ΔΩ с помощью N антенн, расположенных в плоскости пеленгации, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровые сигналы, формирование комплексных спектров сигналов с помощью быстрого преобразования Фурье, их запоминание в цифровом виде и разбиение на К поддиапазонов шириной 2_ΔΩ/K, отличающийся тем, что обнаружение сигнала источника проводят путем приема с помощью (N+1)-ой антенны, принятой в качестве опорной, сигнала ретранслятора, формирования комплексного спектра сигнала ретранслятора с помощью быстрого преобразования Фурье, его запоминания в цифровом виде и разбиения на К поддиапазонов, перемножения в каждом из К поддиапазонов сдвинутого на доплеровскую частоту ω_Д и на величину сдвига частоты ω_R, создаваемого ретранслятором, комплексно сопряженного спектра сигнала ретранслятора со спектром сигнала, принятого одной из N антенн, условно принятой за первую, вычисления обратного преобразования Фурье от полученного произведения для каждого из возможных значений доплеровской частоты ω_Д и каждого из возможных значений времени задержки сигнала τ, и принятия решения о наличии сигнала с соответствующими определенными значениями доплеровского сдвига частоты ω_Д0 и времени задержки τ₀ при превышении одним из вычисленных значений интеграла Фурье фиксированного порога, а определение азимута источника радиосигнала проводят путем перемножения комплексно сопряженного спектра сигнала ретранслятора, сдвинутого на доплеровскую частоту ω_Д0 и на величину сдвига частоты ω_R, создаваемого ретранслятором, с задержанными на время τ₀ спектрами сигналов каждой из остальных N-1 пеленгационных антенн, определения из полученных нормированных комплексных сигналов разностных фаз каждой из N-1 пеленгационных антенн относительно первой антенны, формирования вектора разностных фаз и последовательного перемножения этого вектора с матрицей-столбцом весовых функций, элементы которой соответствуют априорно рассчитанной разности фаз сигналов, принятых каждой из пеленгационных антенн относительно первой пеленгационной антенны в k-ом поддиапазоне для каждого из азимутов с требуемым шагом, причем за истинное значение пеленга принимают значение, соответствующее максимальному значению произведения матриц.