СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2015 года по МПК G01S3/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для определения местоположения воздушных судов (объектов) по их радиоизлучениям.

Для двухмерного пеленгования воздушных объектов по излучению бортовых УКВ передатчиков применяют инвариантные к направлению прихода сигнала кольцевые решетки, которые располагают параллельно и вблизи земной поверхности, на высоте 5-6 м от нее. По принятым сигналам определяют азимут и угол места объекта.

Известен фазовый способ радиопеленгования, включающий прием сигналов бортового передатчика воздушного объекта с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, измерение фаз принятых сигналов, их реконструкцию с устранением цикличности фазовых измерений и расчет азимута и угла места по реконструированным фазам (Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. М.: «Радио и связь», 1997, с.10, 51-52)

Основным недостатком способа является низкая точность измерения угла места вблизи нулевого значения, так как погрешности измерения обратно пропорциональны его синусу. При интерференции прямой и отраженной от земной поверхности волны пеленгуется энергетический центр лучей со значительными флуктуациями. Другой недостаток состоит в сложности выполнения операции реконструкции фаз.

Известен способ пеленгования, включающий прием сигнала с помощью ненаправленных антенн, образующих кольцевую решетку, измерение разности фаз между сигналами в двух группах, векторы, соединяющие пары антенн в которых коллинеарны, а по совокупности разностей фаз в группах методом многошкальных измерений оценивают однозначные на расстоянии диаметра решетки набеги фаз, по которым рассчитывают азимут и угол места (Патент РФ №2251707, 2005 г., МПК⁷ G01S 3/00)

В данном способе исключается операция реконструкции фаз, но основной недостаток предыдущего аналога (низкая точность измерения угла места) не устраняется.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ двухмерного пеленгования, включающий прием сигналов бортового передатчика воздушного объекта с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, и определение по принятым сигналам азимута и угла места объекта. При этом измеряют комплексные амплитуды принятых сигналов с преобразованием в двухмерный угловой спектр, а азимут и угол места определяют как положение его максимума. Причем преобразование в двухмерный угловой спектр включает: умножение измеренных комплексных амплитуд на комплексно-сопряженные двухмерные диаграммы направленности, суммирование результатов умножения по совокупности антенн решетки и определение квадрата модуля суммы. Диаграммы направленности определяют применительно к условиям распространения радиоволн в свободном пространстве по формуле: $${\dot{g}}_n\left(\theta ,\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \rho \cdot \cos \beta \cdot \cos \left(\theta -\alpha \cdot n\right)}$$ , где n=0, …, N-1 - номер антенны при общем количестве N≥3, θ, β - азимут и угол места, k=2·π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения, ρ - радиус решетки, α=2π/N - квант углового положения ее антенн, π=3, 14 …, i - мнимая единица (Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических пеленгаторов. М.: «Радио и связь», 1997, с. 47-48).

В данном способе достигается потенциальная точность и предельная чувствительность измерения азимута, но сохраняется основной недостаток способов-аналогов: низкая точность измерения угла места, особенно вблизи его нулевого значения. Определенную сложность вызывает выполнение операции двухмерного преобразования сигналов в угловой спектр.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерения угла места.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе пеленгования воздушного объекта, включающем прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы, новым является то, что сигналы принимают одновременно с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн и определяют угол места объекта, как положение максимума нормированного углового спектра, при этом диаграммы направленности антенн определяют в направлении полученного азимута и с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле: $${\dot{G}}_n\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)+{\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)\cdot \dot{Q}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)\cdot {\ell }^{-i\cdot 2\cdot k\cdot h\cdot \sin \beta }$$ , где $$\stackrel{⌢}{\theta }$$ - полученный азимут объекта, β - угол места, $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}}{}_n\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \rho \cdot \cos \beta \cdot \cos \left(\stackrel{⌢}{\theta }-\alpha \cdot n\right)}$$ , $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча антенн кольцевой решетки с номерами n=0, …, N-1 при числе антенн в ней N, $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \Delta h_n\cdot \sin \beta }$$ , $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \Delta h_n\cdot \sin \beta }$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча дополнительных антенн с номерами n=N, …, N′-1 при общем числе антенн N′, $$\dot{Q}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)$$ - коэффициент отражения от земной поверхности, k=2·π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения, h - высота поднятия решетки над земной поверхностью, ρ - радиус решетки, Δh_n - высота поднятия над ней дополнительных антенн, π-=3,14 …, i - мнимая единица.

Решение поставленной технической задачи основывается на учете в диаграммах направленности антенн как прямого, так и отраженного от земной поверхности луча, различий набегов фаз сигналов в антеннах решетки и поднятых над ней антеннах, пропорциональных соответственно косинусу и синуса угла места прихода радиоволн. При определении углового спектра компенсируют набеги фаз совокупности прямой и отраженной волны, что позволяет выполнять когерентное суммирование по совокупности антенн, а возникающие вследствие сложения лучей направленные свойства по углу места учитывают нормировкой на сумму квадратов модулей диаграмм направленности. Тем самым достигается формирование максимума нормированного углового спектра в точке истинного угла места объекта со снижением погрешности его измерения. Существенным является также осевая симметрия антенной системы. Это позволяет определять азимут одним из известных способом по сигналам кольцевой решетки, а угол места путем однопараметрической максимизации нормированного углового спектра в направлении измеренного азимута. Последним исключается процедура определения и максимизации двухмерного углового спектра способа-прототипа с сокращением числа выполняемых операций по обработке сигналов.

Учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения позволяет решить поставленную техническую задачу: повысить точность измерения угла места.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиопеленгатора для реализации заявленного способа;

на фиг. 2 показана схема распространения радиоволн;

на фиг. 3 - диаграмма направленности антенны с учетом отражения радиоволн от земной поверхности;

на фиг. 4 - нормированный угловой спектр;

на фиг. 5 - зависимости погрешности измерения угла места от дальности до объекта;

на фиг. 6 - зависимости погрешности определения дальности от ее истинного значения.

Радиопеленгатор для реализации заявленного способа (фиг. 1) содержит антенны 1.0-1.N′-1 подключенные к входам 0-N′-1 радиоприемного устройства 2, выходами 0-N-1 соединенного с одноименными входами блока 3 определения азимута и анализатора углового спектра 4, входы N-N′-1 которого подключены к одноименным выходам радиоприемного устройства 2, а вход N′ - к первому выходу блока 5 определения диаграмм направленности, устройство определения максимума 6, блок определения коэффициента отражения 7 и индикатор 8. Выход блока определения азимута 3 подключен к первым входам блока определения диаграмм направленности 5 и индикатора 8 и второму входу блока определения коэффициента отражения 7, соединенного с первым входом со вторым выходом блока определения диаграмм направленности 5, а выходом - со вторым входом этого блока. Анализатор углового спектра 4, устройство определения максимума 6 последовательно подключены ко второму входу индикатора 8.

Радиоприемное устройство 2 многоканальное с числом каналов, равным общему числу антенн N′, выполняет фильтрацию и синхронное преобразование принятых сигналов с цифровым измерением и представлением в виде комплексных амплитуд (квадратурных составляющих), например, по варианту, приведенному в (Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с. 67-68, рис. 3.140)

Антенны 1.0-1.N-1 образуют кольцевую эквидистантную решетку с числом антенн N≥3. Радиус решетки ρ устанавливают из условия не превышения расстояния между ближайшими антеннами половины длины волны излучения. Решетку ориентируют опорной 1.0 антенной на Север. Фазовые центры антенн решетки располагают в одной горизонтальной плоскости на высоте h над земной поверхностью, порядка 5-6 м. Дополнительные антенны 1.N-1.N′-1 устанавливают на нормали к плоскости решетки из ее центра, например, с постоянным шагом δh. Тогда высота поднятия дополнительных антенн над плоскостью решетки будет Δh_n=δh·(n+1-N), где n=N, …, N′-1 - номер дополнительной антенны, N′ - общее число антенн. А высота поднятия антенн решетки с номерами n=0, …, N-1 и дополнительных антенн с номерами n=N, …, N′-1 над Землей определяются соотношениями: h_n-h при n=0, …, N-1 и h_n=h+Δh_n при n=N, …, N′-1.

В соответствии со схемой распространения радиоволн (фиг. 2) в пункт пеленгования В от бортового передатчика А приходит прямая волна по пути АВ и отраженная от земной поверхности по пути АСВ или эквивалентному ему А′СВ. На рисунке толстой линией показана земная поверхность, точка А′ - фиктивный излучатель под поверхностью, С - точка отражения, β₁=β, β₂=-β - углы места прихода прямой и отраженной волны. Высота h подъема плоскости решетки над земной поверхностью определяется отрезком ВО. Обозначим: d - удаление излучателя от пеленгатора по земной поверхности (отрезок OO′), $$D=\sqrt{d^2+{\left(H-h\right)}^2}$$ - наклонная дальность, Н - высота АО′ подъема излучателя над Землей. Отсчет положительных значений углов места β выполняют от линии, параллельной земной поверхности, к зениту, азимута θ - от направления на опорную антенну с номером n=0 по часовой стрелке.

В соответствии с методом зеркального изображения (Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с.45-47) и геометрическими построениями (фиг. 2) мгновенные значения напряженности поля, принимаемого антеннами, определяются соотношением

где $$\dot{E}=\frac{\sqrt{60\cdot P}}{D\cdot {\ell }^{i\cdot k\cdot D}}$$ - комплексная амплитуда напряженности поля прямого луча в центре антенной решетки, Р - мощность излучения, k=2π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения.

Комплексные диаграммы направленности антенн определяют с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле

где $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\theta ,\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \rho \cdot \cos \beta \cdot \cos \left(\theta -\alpha \cdot n\right)}$$ и $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\theta ,\beta \right)={\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\theta ,\beta \right)$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча антенн кольцевой решетки (n=0, …, N-1), $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\theta ,\beta \right)={\ell }^{i\cdot k\cdot \Delta h_n\cdot \sin \beta }$$ и $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\theta ,\beta \right)={\dot{g}}_{{}_{\mathrm{1,}n}}^{*}\left(\theta ,\beta \right)$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча дополнительных антенн (n=N, …, N′-1), α=2π/N - квант углового положения антенн решетки, звездочка - операция комплексного сопряжения.

Удаление точки отражения С (фиг. 2) от пеленгатора не превышает дальности прямой видимости и при высоте поднятия решетки h=5 …6 м составляет величину $$\mathrm{3,57}\cdot \sqrt{h=8\dots }9км$$ . Коэффициент отражения определяется электрическими параметрами земной поверхности в точке (области) отражения, координаты которой зависят от азимута и угла места объекта. Для определения коэффициента отражения может выполняться (Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с. 39, 66, 49-50, 34, 25) специальное зондирование, предваряющее эксплуатацию пеленгатора, с регистрацией значений коэффициента отражения в блоке 7 фиг. 1 в виде таблицы, как функции азимута и угла места $$\dot{Q}\left(\theta ,\beta \right)$$ , или привлекаться картографическая информация и справочные данные об электрических параметрах различных видов земной поверхности с расчетом по формуле

где $$\dot{\epsilon }\text{'}\left(\theta ,\beta \right)=\epsilon \left(\theta ,\beta \right)\cdot \left(1-i\cdot \frac{60\cdot \gamma \left(\theta ,\beta \right)\cdot \lambda }{\epsilon \left(\theta ,\beta \right)}\right)$$ , ε(θ, β), γ(θ, β) - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость земной поверхности в точке отражения.

Для однородной в окрестности пеленгатора земной поверхности зависимость от азимута в формуле (3) исключается. Для волн УКВ-сантиметрового диапазона земная поверхность по своим свойствам близка к диэлектрику и возможно упрощенное определение коэффициента отражения в виде постоянной величины $$\dot{Q}\left(\theta ,\beta \right)=-1$$ .

Непосредственно пеленгование воздушного объекта происходит следующим образом. Излучение бортового передатчика принимают антеннами 1.0-1.N′-1 и в радиоприемном устройстве 2 измеряют их комплексные амплитуды $${\dot{S}}_n={\dot{E}}_n+{\dot{\xi }}_n$$ , где $${\dot{\xi }}_n$$ - шумы приема. В блоке определения азимута 3 по результатам измерений комплексной амплитуды сигналов решетки, поступающим по входам 0-N-1 с одноименных выходов радиоприемного устройства, оценивают разности фаз между сигналами ближайших антенн решетки по формуле: $$\Delta {\varnothing }_n=\arg \left({\dot{S}}_{n\oplus 1}\cdot S_n^{*}\right)$$ , где $$\arg \left(\dot{x}\right)$$ - аргумент комплексного числа заключенного в скобки (фаза вектора), ⊕ - операция сложения по модулю N, и рассчитывают азимут объекта

Для расчетного азимута (4), поступающего с выхода блока определения азимута 3 на второй вход, и возможного положения объекта по углу места, поступающего со второго выхода блока определения диаграмм направленности 5 на первый вход, в блоке 7 определения коэффициента отражения рассчитывают значение коэффициента по формуле (3). После чего в блоке 5 определения диаграмм направленности рассчитывают по формуле (2) комплексные диаграммы направленности антенн $${\dot{G}}_n\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)$$ в направлении измеренного азимута, поступающего с выхода блока 3 по первому входу, и для поступающего по второму входу с выхода блока 7 расчетного коэффициента отражения в направлении возможного угла места. Типичная амплитудная диаграмма направленности показана на фиг. 3. Видны значительные ее изменения от угла места, что является следствием интерференции прямой и отраженной волны.

В анализаторе углового спектра 4 по измеренным комплексным амплитудам всех принятых сигналов, поступающим по входам 0-N′-1 и значениям диаграмм направленности по входу N′ с первого выхода блока 5, определяют нормированный угловой спектр как функцию угла места

В соответствии с формулой (5) при этом умножают измеренные комплексные амплитуды $${\dot{S}}_n$$ на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн в направлении полученного азимута объекта и возможных углов места, суммируют результаты умножения по совокупности всех антенн, определяют квадрат модуля суммы. В результате умножения происходит компенсация набегов фаз сигналов прямой и отраженной волны, а суммированием по совокупности антенн достигается когерентное накопление принятых сигналов. Возникающие вследствие сложения лучей направленные свойства антенн по углу места фиг. 3 учитывают нормировкой на сумму квадратов модулей диаграмм направленности. Пример нормированного углового спектра показан на фиг. 4. Этот спектр имеет максимум в окрестности истинного угла места объекта.

В устройстве определения максимума 6 определяют угол места объекта как положение максимума нормированного углового спектра. Результаты определения пеленга (вход 1 индикатора 8) и угла места (вход 2) отражают на индикаторе 8.

Эффективность изобретения выражается в повышении точности измерения угла места. Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования для следующих условий.

Исследовался радиопеленгатор, размещенный на ледяной поверхности с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 5, и удельной проводимостью 0,05 Ом/м, и содержащий 8-элементную антенную решетку радиусом 0,5 м, поднятую на мачте высотой 5 м, и две дополнительные антенны, установленные над решеткой на высоте 1 и 2 м. Задана предельная чувствительность пеленгования 2 мкВ/м. Высота воздушного объекта 1000 м, мощность передатчика 10 Вт, длина волны излучения 1 м. Расчет коэффициента отражения выполнялся по формуле (3). Моделирующая программа разработана в системе Mathcad, имеется у авторов и патентообладателя.

Результаты показаны на фиг. 5 в виде зависимости погрешности измерения угла места Δβ от дальности d до объекта для способа-прототипа кружками, для предлагаемого решения - точками. Видно, что погрешности измерений в предлагаемом способе примерно на порядок меньше. Более наглядно эффект от предлагаемого изобретения показан на фиг. 6 в виде зависимости оценочной дальности от ее истинного значения. Оценочная дальность определяется по измеренному углу места $$\stackrel{⌢}{\beta }$$ при известной высоте объекта Н по формуле: $$\stackrel{⌢}{d}=\left(H-h\right)\cdot ctg\stackrel{⌢}{\beta }$$ . В соответствии с фиг. 6 за счет увеличения точности измерения угла места область надежного определения дальности в предлагаемом способе увеличивается с 30 км (прототип) до 70-80 км, что упрощает, делает более надежным и безопасным привод воздушного судна на необорудованные аэродромы, буровые площадки.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения воздушных судов (объектов) по их радиоизлучениям. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения угла места примерно на порядок с расширением области надежного определения дальности с 30 км до 70-80 км, что упрощает, делает более надежным и безопасным привод воздушного судна на необорудованные аэродромы, буровые площадки. Указанный результат достигается за счет того, что способ включает прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы. Одновременно сигналы принимают с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн (ДНА) и определяют угол места объекта, как положение его максимума. При этом ДНА определяют в направлении полученного азимута и с учетом коэффициента отражения радиоволн от земной поверхности. 6 ил.

Способ пеленгования воздушного объекта, включающий прием сигналов бортового передатчика с помощью антенн, образующих кольцевую решетку, располагаемую вблизи и параллельно земной поверхности, определение по принятым антеннами решетки сигналам азимута объекта, измерение комплексных амплитуд принятых сигналов и преобразование измерений в угловой спектр путем умножения на комплексно-сопряженные диаграммы направленности антенн, суммирования результатов умножения по совокупности антенн и определения квадрата модуля суммы, отличающийся тем, что сигналы принимают одновременно с помощью дополнительных антенн, располагаемых на нормали к плоскости решетки из ее центра, угловой спектр нормируют на сумму квадратов модулей диаграмм направленности антенн и определяют угол места объекта, как положение максимума нормированного углового спектра, при этом диаграммы направленности антенн определяют в направлении полученного азимута и с учетом отражения радиоволн от земной поверхности по формуле:

где $$\stackrel{⌢}{\theta }$$ - полученный азимут объекта, β - угол места, $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}}{}_n\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={е}^{i\cdot k\cdot \rho \cdot \cos \beta \cdot \cos \left(\stackrel{⌢}{\theta }-\alpha \cdot n\right)}$$ , $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча антенн кольцевой решетки с номерами n=0, …, N-1 при числе антенн в ней N, $${\dot{g}}_{\mathrm{1,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={е}^{i\cdot k\cdot \Delta h_n\cdot \sin \beta }$$ , $${\dot{g}}_{\mathrm{2,}n}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)={е}^{i\cdot k\cdot \Delta h_n\cdot \sin \beta }$$ - диаграммы направленности в направлении прямого и отраженного луча дополнительных антенн с номерами n=N, …, N′-1 при общем числе антенн N′, $$\dot{Q}\left(\stackrel{⌢}{\theta },\beta \right)$$ - коэффициент отражения от земной поверхности, k=2·π/λ - волновое число, λ - длина волны излучения, h - высота поднятия решетки над земной поверхностью, ρ - радиус решетки, Δh_n - высота поднятия над ней дополнительных антенн, π=3,14 …, i - мнимая единица.