СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ КОРОТКОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2014 года по МПК G01S1/08 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при пеленгации источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (KB) -диапазона, в частности при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ с применением многоэлементных антенных решеток (АР).

В KB -диапазоне широко применяются средства пеленгования и местоопределения ИРИ из одной точки с использованием многоэлементных АР [1], в том числе с кольцевыми АР [2].

Обработка принятых сигналов при пеленговании ИРИ позволяет реализовать предельные возможности пеленгационных систем по точности, дальности и быстродействию.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2096797 [3].

В ходе обработки принятые сигналы селектируют по частоте и поканально сравнивают спектральные характеристики. По результатам сравнения судят о значении пеленга.

Недостатками известного способа обработки сигналов являются ограниченное быстродействие при априорно неизвестном районе действия ИРИ и низкая точность. Это объясняется необходимостью применения при обработке сигналов многократного сканирования диаграммы направленности АР и проведения двумерных итераций.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2210088 [4].

В ходе обработки последовательно выполняют операции упорядочивания, уплотнения, усиления, частотной селекции и демодулирования, разуплотнения, вычисления угла прихода квазигармонического сигнала по значению арктангенса от отношения U₂/U₁, где в качестве управляющих сигналов f_i(t) используют упорядоченную пару сигналов из множества упорядоченных пар ортогональных сигналов.

Способ позволяет существенно повысить точность пеленгования по сравнению с первым аналогом. Недостатком способа является ограниченное быстродействие, вызванное необходимостью выполнения процедур сканирования и двумерных итераций. Это связано с подбором соответствующих пар, обладающих одновременно взаимной частотной ортогональностью между компонентами с разными частотами и взаимной фазовой ортогональностью между компонентами с одинаковыми частотами. Кроме того, известный способ применим к ИРИ с квазигармоническими сигналами и для его реализации требует использования радиоприемного устройства частотно-модулированных сигналов. Это ограничивает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, сущность которого описана в патенте RU №2432580 [5] (прототип).

Способ включает частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР в ходе определения пеленга. Линию пеленга находят в плоскости пеленгационной антенны, а по результатам весовой обработки формируют вспомогательную плоскость, ортогональную плоскости пеленгационной антенны и проходящую через полученную линию пеленга. Способ позволяет повысить быстродействие и существенно увеличить точность пеленгования при дислокации ИРИ на земной поверхности.

Однако при дислокации ИРИ в трехмерном пространстве и использовании объемных АР быстродействие пеленгования ИРИ KB-диапазона недостаточно. Это проявляется наиболее заметно при использовании мобильных пеленгаторов, кратковременной работе ИРИ и размещении ИРИ на подвижных летательных аппаратах (самолеты, радиозонды и т.п.). Компенсация возникающих ошибок пеленгования требует в ходе обработки проведения процедур сканирования и двумерных итераций, что во многих случаях становится проблематичным.

Целью изобретения является повышение быстродействия обработки сигналов ИРИ KB-диапазона, находящихся в трехмерном пространстве, при многоканальной фазовой пеленгации.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известный способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ПРИ KB-диапазона, включающий частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР, введены операции, в ходе которых на частоте ИРИ оценивают фазу сигнала в геометрическом центре АР, на каждом элементе АР определяют фазу сигнала относительно фазы в геометрическом центре АР, формируют матрицу координат и матрицу направленности АР, определяют сферическую поверхность нахождения вектора прихода плоской волны, находят вспомогательный вектор, определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, строят семейство подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром, определяют точку касания эллипсоида из построенного семейства с сферической поверхностью, после чего находят вектор прихода сигнала и соответствующие ему азимут и угол места.

Предлагаемый способ обработки сигналов эа счет введения новых операций не требует процедур сканирования и двумерных итераций, что и позволяет повысить быстродействие при пеленговании ИРИ KB-диапазона при их размещении над земной поверхностью в трехмерном пространстве.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона из патентных источников не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона;

на фиг.2 - процесс векторного построения в ходе обработки сигналов ИРИ KB-диапазона.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона содержит N радиоприемников 1, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля 2, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока 3 опорного генератора. Выход фазометрического модуля 2 через модуль 4 формирования матриц элементов АР соединен с первым входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, через модуль 6 определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль 7 определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников 1 являются входами сигнала ИРИ, а дополнительный вход модуля 4 формирования матриц элементов АР является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона.

Способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона реализуется следующим образом.

При обработке сигналов в ходе пеленгования ИРИ в трехмерном пространстве известным способом приходится производить процедуры сканирования и двухмерных итераций, в том числе:

- выбирать шаг двумерной сетки по углам прихода сигнала в и ft (азимут и угол места), причем достаточно малый для исключения пропуска окрестности глобального минимума функционала невязки;

- для каждой точки сетки производить расчет функционала невязки;

- выбирать точку сетки с минимальным значением функционала невязки в качестве начального приближения для итераций;

- выполнять итерационный поиск минимума функционала невязки в окрестности выбранной точки, пока уточнение углов азимута и места ИРИ на очередном шаге не станет меньше допустимой погрешности.

Приведенные процедуры требуют значительного времени обработки сигнала ИРИ и при кратковременности излучения, а также быстрого перемещения обеспечение пеленгования с необходимой точностью становится проблематичным.

При обработке предлагаемым способом сигнал ИРИ поступает на вход каждого радиоприемника 1 в канале элемента АР устройства (фиг.1). Блок 3 опорного генератора - общий для всех радиоприемников 1, каждый из которых обеспечивает частотную селекцию принятого сигнала ИРИ.

С выходов каждого радиоприемника 1 сигнал подается на вход фазометрического модуля 2, в каналах которого сигнал детектируется по фазе. Результирующие сигналы через сигнальную шину поступают на вход модуля 4 формирования матриц элементов АР.

Модуль 4 осуществляет оценку фазы сигнала в геометрическом центре АР:

$${\varphi }_0=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^N{\varphi }_i^{\text{'}}}\left(1\right)$$

где - N- количество антенных элементов;

$${\varphi }_1^{\text{'}},{\varphi }_2^{\text{'}},\dots ,{\varphi }_N^{\text{'}}$$ - измеренные фазы на элементах АР,

и формирует матрицу координат и матрицу направленности АР.

Фазы сигнала на элементах АР относительно фазы в центре АР:

$$\varphi =\left(\begin{array}{c}{\varphi }_1\\ {\varphi }_2\\ \cdots \\ {\varphi }_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\varphi }_1^{\text{'}}-{\varphi }_0\\ {\varphi }_2^{\text{'}}-{\varphi }_0\\ \cdots \\ {\varphi }_N^{\text{'}}-{\varphi }_0\end{array}\right),\left(2\right)$$

Координаты элементов АР вводятся в модуль 4 через дополнительный вход устройства обработки.

Матрица координат элементов АР:

$$A=\left(\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& z_2\\ \cdots & \cdots & \cdots \\ x_N& y_N& z_N\end{array}\right),\left(3\right)$$

где - x_i, y_i, z_i - декартовые координаты i-го элемента АР, причем

$${\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i={\displaystyle \sum _{i=1}^N{y}_i}={\displaystyle \sum _{i=1}^N{z}_i=0}}$$ .

Матрица направленности АР:

$$B=A^{T}A=\left(\begin{array}{ccc}{\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i^2}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i{y}_i}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i{z}_i}\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i{y}_i}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{y}_i^2}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{y}_i{z}_i}\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i{y}_i}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{y}_i{z}_i}& {\displaystyle \sum _{i=1}^N{z}_i^2}\end{array}\right)\left(4\right)$$

- симметричная неотрицательно определенная матрица размера 3×3,

где Т - символ транспонирования.

С выхода модуля 4 формирования матриц элементов АР информация подается на вход модуля 6 определения векторов сигнала, на вход модуля 7 определения дисперсии ошибок и непосредственно - на первый вход модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

С помощью модуля 6 определяется сферическая поверхность нахождения трехмерного волнового вектора k с центром в начале координат

$$k^{T}k={\left(\frac{2\pi }{\lambda }\right)}^2,\left(5\right)$$

где - λ - длина волны в метрах, λ=300/F;

F - частота сигнала в МГц,

С помощью модуля 7 находится вспомогательный вектор $$\widehat{k}$$ , определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, после чего осуществляется построение семейства подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром.

Вспомогательный вектор

$$\widehat{k}=\arg \underset{k}{\min }\Phi \left(k\right)=B^{-1}{A}^T\varphi ,\left(6\right)$$

позволяет обеспечить безусловный минимум квадратичному функционалу Ф(k) невязки фазовых измерений Ф(k)=(Ak-φ)^T(Ak-φ). После перемножения и дополнения до «полного квадрата» [6, с.96, выражение 3.64] Ф(k) может быть представлен в виде:

$$\begin{array}{l}Ф\left(k\right)={(}^A\left(Ak-\varphi \right)=k^T{A}^{T}Ak-2k^T{A}^T\varphi +{\varphi }^T\varphi =\\ =k^T{A}^{T}Ak-2k^T{A}^{T}A{\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^T\varphi +{\varphi }^T\varphi =k^T{A}^{T}Ak-2k^T{A}^{T}A\widehat{k}+{\varphi }^T\varphi =\\ ={\left(k-\widehat{k}\right)}^{T}B\left(k-\widehat{k}\right)+{\varphi }^T\varphi -{\widehat{k}}^{T}B\widehat{k},\end{array}$$

где от k зависит только первое слагаемое. Поэтому задача поиска минимума функционала Ф(k) при условии (5) сводится к нахождению минимального эллипсоида из семейства (7), имеющего одну общую точку со сферой (5), то есть касающегося сферы.

Семейство подобных эллипсоидов с общим центром в точке $$\widehat{k}$$ конца вектора

$${\left(k-\widehat{k}\right)}^T\left(k-\widehat{k}\right)=C>0\left(7\right)$$

Результирующие данные модулей 4, 6 и 7 подаются на входы модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

Для определения искомого вектора k прихода плоской волны в модуле 5 рассчитывается точка касания эллипсоида из семейства (7) с сферой (5). Для этого в модуле 5 осуществляются следующие операции:

- определяются собственные значения b₁, b₂, b₃ матрицы В -неотрицательные вещественные числа, и соответствующий им ортонормированный набор собственных векторов ν₁, ν₂, ν₃ матрицы В;

- осуществляется переход в систему координат, оси которой - собственные векторы матрицы В, и определяются координаты вспомогательного вектора $$\widehat{k}={\left({\widehat{k}}_1,{\widehat{k}}_2,{\widehat{k}}_3\right)}^T$$ в новой системе координат:

$$\left(\begin{array}{c}{\widehat{k}}_1\\ {\widehat{k}}_2\\ {\widehat{k}}_3\end{array}\right)=V\left(\begin{array}{c}{\widehat{k}}_x\\ {\widehat{k}}_y\\ {\widehat{k}}_z\end{array}\right),\left(8\right)$$

где $$V=\left(\begin{array}{c}{\nu }_1^T\\ {\nu }_2^T\\ {\nu }_3^T\end{array}\right)$$ - матрица перехода в новую систему координат

- для координат искомого вектора k=(k₁, k₂, k₃)^T в новой системе координат и параметра L составляется система уравнений:

$$\{\begin{array}{c}\left(b_1+L\right)k_1=b_1{\widehat{k}}_1\\ \left(b_2+L\right)k_2=b_2{\widehat{k}}_2\\ \left(b_3+L\right)k_3=b_3{\widehat{k}}_3\\ k_1^2+k_2^2+k_3^2={\left(\frac{2\pi }{\lambda }\right)}^2,\end{array}\left(9\right)$$

- подстановкой выражений для k₁, k₂, k₃ из первых трех уравнений в четвертое система уравнений (8) сводится к алгебраическому уравнению 6-й степени с одним неизвестным параметром L:

$${\left(\frac{2\pi }{\lambda }\right)}^2{\left(b_1+L\right)}^2{\left(b_2+L\right)}^2{\left(b_3+L\right)}^2-{\left(b_1{\widehat{k}}_1\right)}^2{\left(b_2+L\right)}^2{\left(b_3+L\right)}^2-{\left(b_2{\widehat{k}}_2\right)}^2\left(b1+L\right)2\left(b3+L\right)2-{\left(b_3{k}_3\right)}^2\left(b1+L\right)2\left(b2+L\right)2=0;\left(10\right)$$

- находится ближайший к 0 корень Z уравнения (9);

- подстановкой найденного значения для L в систему (8) из первых трех уравнений находятся координаты k₁, k₂, k₃ искомого вектора k;

- осуществляется обратный переход в исходную систему координат:

$$\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ k_y\\ k_z\end{array}\right)=V^T\left(\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ k_3\end{array}\right),\left(11\right)$$

Углы прихода сигнала (азимут и угол места):

$$\theta =arctg\left(k_x/k_y\right)\left(12\right)$$

$$\beta =\arcsin \left(k_z\right)$$ .

Процесс векторного построения в ходе обработки сигнала ИРИ приведен на фиг.2, где S - сфера радиуса $$r=\frac{2\pi }{\lambda }$$ - с центром в 0 - начале декартовой системы координат X,Y,Z; E - эллипсоид из семейства (7), касающийся S, с центром в $$\widehat{k}$$ и осями ν₁, ν₂, ν₃; k - волновой вектор - точка

касания Е с S.

Модули 4-7 могут быть выполнены, например, на базе процессоров Texas Instruments TMS 320 С 6416/6713 и ПЛИС [6].

Таким образом, предлагаемый способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона не требует процедур сканирования и двумерных итераций, за счет чего существенно повышается быстродействие пеленгования.

Количественные показатели повышения быстродействия зависят от условий пеленгования и в случаях проведенных экспериментов и моделирования находились в пределах 30-70 раз.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа подтвердила правильность и достаточность технических решений.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. -М.: Воениздат, 1966 (с.74).

2. А.В.Дубровин. Потенциальная точность измерения направления на излучатель для пеленгационных средств с кольцевыми антенными решетками. «Антенны», 2006, выпуск 2(15), с.29-31.

3. Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Патент RU 2096797, МПК G01S 3/14, опубликован 20.11.1997.

4. Способ одноканального радиопеленгования квазигармонических сигналов при минимальном числе неподвижных ненаправленных антенных элементов и устройство для его реализации. Патент RU №2210088, МПК G01S 3/54, опубликован 10.08.2003. Бюл. №22.

5. Способ определения координат источника радиоизлучений при амплитудно-фазовой пеленгации с борта летательного аппарата. Патент RU 2432580 С1, МПК G01S 1/08, приоритет 03.08.2010.

6. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, 1990.

7. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при пеленгации источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (KB) диапазона. Достигаемый технический результат изобретения - повышение быстродействия обработки сигналов ИРИ KB диапазона, находящихся в трехмерном пространстве, при многоканальной фазовой пеленгации. Указанный результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве осуществляют частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР, затем на частоте ИРИ оценивают фазу сигнала в геометрическом центре АР, на каждом элементе АР определяют фазу сигнала относительно фазы в геометрическом центре АР, формируют матрицу координат и матрицу направленности АР, определяют сферическую поверхность нахождения вектора прихода плоской волны, находят вспомогательный вектор, определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, строят семейство подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром, определяют точку касания эллипсоида из построенного семейства с сферической поверхностью, после чего находят вектор прихода сигнала и соответствующие ему азимут и угол места. 2 ил.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона, содержащее N радиоприемников, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока опорного генератора, отличающееся тем, что в него введены модуль вычислителя параметров пеленга, модуль определения векторов сигнала, модуль определителя дисперсии ошибок и модуль формирования матриц элементов антенной решетки, вход которого подключен к выходу фазометрического модуля, а выход соединен с первым входом модуля вычислителя параметров пеленга, через модуль определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников являются входами сигнала источника радиоизлучений, а дополнительный вход модуля формирования матриц антенной решетки является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона.