СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ПЕЛЕНГОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРИОРТОГОНАЛЬНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2020 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы.

Известен способ пеленгования многолучевых сигналов по патенту RUS №2309422 [1], согласно которому выполняют следующую последовательность действий:

принимают радиосигнал неизвестной поляризации многоэлементной антенной решеткой;

формируют ансамбль радиосигналов x_n(t), зависящих от времени t и номера n антенны, где N - число антенн;

синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов x_n(t) в цифровые сигналы x_n(z), где z - номер временного отсчета сигнала;

преобразуют цифровые сигналы x_n(z) в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения (АФР) описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки и запоминают его;

формируют идеальный сигнал комплексной фазирующей функции описывающий возможные направления прихода сигнала от каждого m-го потенциального источника;

используя сигнал фазирующей функции преобразуют сигнал измеренного АФР в сигнал комплексного углового спектра где - матрица, эрмитово сопряженная с ;

по максимуму модуля сигнала комплексного углового спектра определяют азимут θ и угол места β на ИРИ.

При таком способе устраняется неопределенность, связанная с отсутствием данных об угле места прихода электромагнитной волны, за счет чего уменьшается количество ошибок измерения азимута θ и угла места β на ИРИ.

Недостатком аналога является относительно низкая точность измерения азимута θ и угла места β на ИРИ, так как не обеспечивается согласование по поляризации между приемной антенной системой (АС) и приходящей электромагнитной волной.

Известен способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов по патенту RUS №2393498 [2], согласно которому:

принимают радиосигнал неизвестной поляризации многоэлементной антенной решеткой;

формируют ансамбль радиосигналов, зависящих от времени и номера антенного элемента;

синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы;

из цифровых сигналов получают сигнал комплексного АФР описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки;

формируют и запоминают поляризационно-зависимые идеальные сигналы комплексной фазирующей функции для заданной частоты приема и требуемых узлов сетки наведения по азимуту θ_m и углу места β_m;

используя сигналы комплексной фазирующей функции преобразуют сигнал АФР в обобщенный сигнал значение максимума которого используют для определения азимутально-угломестного пеленга θ и β, на источник принятого радиосигнала и его достоверности, а соответствующее найденному пеленгу θ и β, значение сигнала фазирующей функции применяют для преобразования сигнала АФР в сигнал описывающий поляризацию принятого радиосигнала.

Предварительно до начала приема радиосигнала формируют и запоминают для всех возможных частот приема и требуемых узлов сетки наведения по азимутам θ_m и углам места β_m поляризационно-зависимые идеальные сигналы комплексной фазирующей функции и комплексные взвешивающие сигналы а при приеме на заданной частоте соответствующие взвешивающие сигналы используют для преобразования сигнала АФР в обобщенный сигнал значение максимума которого используют для определения азимутально-угломестного пеленга на источник принятого радиосигнала и его достоверности, а соответствующее найденному пеленгу значение сигнала фазирующей функции применяют для преобразования сигнала АФР в сигнал, описывающий состояние поляризации принятого радиосигнала.

В указанном способе улучшается селекция пеленгуемых радиосигналов на фоне шумов и помех за счет использования обобщенного критерия формы волнового фронта.

Недостатками аналога являются относительно низкая точность измерения азимута θ и угла места β на ИРИ в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, а также значительные временные затраты при измерении азимута и угла места на ИРИ, вызванные операциями сканирования по пространственным и поляризационным параметрам.

Из известных способов наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по своей технической сущности является способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов по патенту RUS №2624449 [3] заключающийся в том, что:

выбирают 3-мерную декартову систему координат (ДСК) OXYZ для производства измерений и расчетов;

принимают аналоговый радиосигнал неизвестной поляризации триортогональной антенной системой (ТОАС), состоящей из трех антенных элементов (АЭ) АЭ_x, АЭ_y, AЭ_z с центром, совпадающим с началом О выбранной ДСК, от источника радиоизлучения (ИРИ) с неизвестными координатами в моменты времени t₁ и t₂;

формируют совокупность аналоговых радиосигналов E_x1, Е_у1, E_z1 и Е_х2, E_y2, E_z2, зависящих от момента времени и антенного элемента ТОАС на которые они приняты;

путем векторного сложения ортогональных компонент Е_х1, Е_у1, E_z1 E_x2, E_y2, E_z2 определяют ориентацию векторов напряженностей электрического поля и в пространстве в моменты времени t₁ и t₂ и запоминают их;

формируют две вспомогательные плоскости Ω₁ и Ω₂, каждая из которых проходит через начало О выбранной ДСК и перпендикулярна вектору напряженности электрического поля и соответственно;

строят линию положения ИРИ OI на пересечении вспомогательных плоскостей Ω₁ и Ω₂;

измеряют азимут θ и угол места β на ИРИ, как углы ориентации линии положения ИРИ OI в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости соответственно.

Недостатками способа прототипа являются:

относительно длительное время определения азимута θ и угла места β на ИРИ, обусловленное необходимостью проведения измерений параметров электрического поля минимум два раза - в моменты времени t₁ и t₂;

ограниченность области применения способа - отсутствует возможность пеленговать радиосигналы с линейной поляризацией, поскольку в этом случае в любые два момента времени t₁ и t₂, векторы напряженностей электрического поля и будут параллельными, а вспомогательные плоскости Ω₁ и Ω₂ будут совпадать.

Целью изобретения является разработка способа, обеспечивающего снижении времени пеленгования и обеспечение более широкой области применения в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием ТОАС, заключающимся в том, что выбирают 3-мерную ДСК OXYZ для производства измерений и расчетов, принимают аналоговый радиосигнал неизвестной поляризации триортогональной антенной системой с центром, совпадающим с началом О выбранной ДСК, от ИРИ с неизвестными координатами в момент времени t₁, измеряют с помощью ТОАС ортогональные компоненты Е_х1, Е_у1, E_z1 вектора напряженности электрического поля принятого аналогового радиосигнала в момент времени и, и определяют ориентацию в пространстве путем векторного сложения измеренных ортогональных компонент Е_х1, Е_у1, E_z1, формируют вспомогательную плоскость Ω_E, так, что бы она была перпендикулярна вектору и проходила через начало координат О, после чего измеряют азимут θ и угол места β на ИРИ используя вспомогательную плоскость Ω_E в качестве ТОАС используют комбинированную триортогональную антенную систему (КТОАС), состоящую из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных АЭ.

В момент времени t₁ дополнительно измеряют с помощью рамочных АЭ ортогональные компоненты Н_х1, Н_у1, H_z1 вектора напряженности магнитного поля принятого аналогового радиосигнала. Определяют ориентацию вектора в ДСК OXYZ путем векторного сложения ортогональных компонент H_x1, H_y1, H_z1.

Строят вспомогательную плоскость Ω_H, так, что бы она была перпендикулярна вектору и проходила через начало координат О.

Строят линию положения ИРИ на пересечении вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H. Измеряют углы наклона линии положения ИРИ в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной θ и вертикальной β плоскостях. В качестве азимута и угла места на ИРИ принимают углы θ и β соответственно.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков за счет использования КТОАС, состоящей из трех антенных элементов в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных антенных элементов, достигается цель изобретения: снижении времени пеленгования и обеспечение более широкой области применения разработанного способа в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной АС.

Совместное определение ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей в пространстве позволяет исключить операции дальнейшего измерения параметров электромагнитного поля, что сокращает временные затраты при измерении азимута и угла места на ИРИ.

С помощью разработанного способа возможно пеленгование радиосигналов с произвольной поляризацией, в том числе с линейной, поскольку векторы и всегда ортогональны, следовательно и вспомогательные плоскости Ω_E и Ω_H также ортогональны между собой. Таким образом, в любой момент времени, например в момент времени t₁, возможно получение пеленга, как линии пересечения вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 положение вектора Пойтинга а также векторов и в момент времени t₁;

на фиг. 2 конфигурация КТОАС в ДСК;

на фиг. 3 конфигурация части КТОАС - трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа в ДСК;

на фиг. 4 ортогональные компоненты Е_х1, Е_у1, E_z1 вектора напряженности электрического поля в момент времени t₁ в ДСК OXYZ;

на фиг. 5 конфигурация части КТОАС - трех рамочных АЭ в ДСК;

на фиг. 6 ортогональные компоненты Н_х1, Н_у1, H_z1 вектора напряженности магнитного поля в момент времени t₁ в ДСК OXYZ;

на фиг. 7 временные диаграммы ортогональных компонент Е_х, Е_у, E_z, принятых на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС, а также их значения Е_х1, Е_у1, E_z1, измеренные в момент времени t₁;

на фиг. 8 временные диаграммы ортогональных компонент Н_х, Н_у, H_z, принятых на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС, а также их значения Н_х1, Н_у1, H_z1, измеренные в момент времени t₁;

на фиг. 9 графическое представление плоскости Ω_E в ДСК OXYZ;

на фиг. 10 графическое представление плоскости Ω_H в ДСК OXYZ;

на фиг. 11 графическое представление линии пересечения OI плоскостей Ω_E и Ω_H в ДСК OXYZ.

Традиционно физической основой любого способа пеленгования радиосигналов принято считать различие времени прихода радиоволны в разнесенные точки пространства. При этом точность пеленгования радиосигналов неизвестной поляризации классическими способами, ориентированными на обработку электромагнитного поля определенной поляризации, дает значительные погрешности пеленгования, если поляризационные характеристики пеленгаторной АС не согласованы с поляризацией падающих волн. Повышение точности пеленгования в большинстве случаев достигается увеличением базы пеленгаторной антенной системы, то есть разнесением в пространстве антенных элементов пеленгаторной антенной системы.

Однако существует возможность определения направления на ИРИ с помощью сосредоточенной АС, способной определить поляризацию радиосигнала в точке приема.

Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора напряженности магнитного и/или электрического поля в фиксированной точке пространства [4].

На фиг. 1 отображены ИРИ 1 и измеритель 2 параметров электромагнитного волны.

Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии. Для характеристики этого явления вводят вектор Пойтинга Он определяет направление и величину плотности потока мощности электромагнитного поля от ИРИ в каждой точке пространства.

Вектор Пойтинга совпадает с направлением распространения электромагнитной волны и является результатом векторного произведения векторов напряженности электрического и магнитного полей, то есть образует вместе с ними правую тройку векторов.

На фиг. 1 отображены положения вектора Пойтинга , а также векторов напряженности электрического и магнитного полей в момент времени t₁. Кроме того, на фиг. 1 показана часть фазового фронта волны Ω₀, определяемого как поверхность одинаковых фаз векторов поля и перпендикулярная направлению распространения электромагнитной волны.

Сопоставив векторы напряженностей магнитного поля и возможно определить направление вектора Пойтинга а следовательно и направление на ИРИ.

В способе используют КТОАС, состоящая из трех взаимно-ортогональных АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа 3, 4 и 5 и трех взаимно-ортогональных рамочных АЭ 6, 7 и 8 (см. фиг. 2).

В способе используют ДСК OXYZ, в которой центр координат О совмещен с центром КТОАС, оси OX, OY и OZ направлены вдоль АЭ 3, 4 и 5. Кроме того, оси OX, OY и OZ перпендикулярны АЭ 6, 7 и 8 соответственно (см. фиг. 2).

Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности электрического поля в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех АЭ в виде несимметричных вибраторов штыревого типа 3, 4 и 5 (см. фиг. 3).

Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей электрического поля E_x1, Е_у1 и E_z1, измеренных на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно в момент времени t₁ составляет вектор напряженности электрического поля (см. фиг. 4).

На фиг. 7 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Е_х, Е_у, E_z, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно. В момент времени и измеряют и запоминают значения компонент Е_х1, E_y1, E_z1 с помощью АЭ 3, 4 и 5 КТОАС соответственно.

Путем векторного сложения ортогональных компонент Е_х1, Е_у1, E_z1 определяют ориентацию вектора в пространстве.

Строят вспомогательную плоскость Ω_E, ортогональную вектору напряженности электрического поля проходящую через центр КТОАС совмещенный с началом ДСК OXYZ (см. фиг. 9). Вспомогательная плоскость Ω_E описывается уравнением:

Для измерения ортогональных компонент вектора напряженности магнитного поля в заявленном способе используют часть КТОАС, состоящую из трех ортогональных рамочных АЭ 6, 7 и 8 (см. фиг. 5).

Векторная сумма ортогональных компонент напряженностей магнитного поля Н_х1, Н_у1 и H_z1, измеренных на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно в момент времени и составляет вектор напряженности магнитного поля (см. фиг. 6).

На фиг. 8 представлены временные диаграммы ортогональных компонент Н_х, H_y, H_z, принятого в общем случае эллиптически поляризованного аналогового радиосигнала на АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно. В момент времени t₁ измеряют и запоминают значения компонент Н_х1, Н_у1, H_z1 с помощью АЭ 6, 7 и 8 КТОАС соответственно.

Путем векторного сложения ортогональных компонент Н_х1, Н_у1, H_z1 определяют ориентацию вектора в пространстве.

Строят вспомогательную плоскость Ω_H, ортогональную вектору напряженности магнитного поля проходящую через центр КТОАС совмещенный с началом ДСК OXYZ (фиг. 10). Вспомогательная плоскость Ω_H описывается уравнением:

Для измерения значений азимута θ и угла места β, определяют линию положения ИРИ OI - линию пересечения вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H, которая задается системой уравнений (1) и (2):

Измеряют углы наклона линии положения ИРИ в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной θ и вертикальной β плоскостях (см. фиг. 8), а в качестве азимута и угла места на ИРИ принимают углы θ и β соответственно.

Реализация заявленного способа преимущественно целесообразна при размещении КТОАС на подвижном объекте, в частности на беспилотном летательном аппарате.

Совместное имитационное моделирование заявленного способа поляризационного пеленгования радиосигналов и способа прототипа показало возможность снижения времени пеленгования радиосигналов ИРИ до двух раз по за счет отсутствия необходимости двукратного измерения параметров электромагнитного поля, а также расширения области применения разработанного способа, выражающегося в способности пеленгования радиосигналов с произвольной поляризацией, в том числе с линейной, в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы, что указывает на возможность достижения указанного технического результата.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Шевченко В.Н., Иванов Н.М., Звездина Ю.А. Способ пеленгования многолучевых сигналов. Патент на изобретение RUS №2309422 от 27.10.2007.

2. Шевченко В.Н., Иванов Н.М., Шевченко Е.А. Способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов (Варианты). Патент на изобретение RUS №2393498 от 27.06.2010.

3. Богдановский С.В., Волков Р.В., Севидов В.В., Симонов А.Н. Способ поляризационного пеленгования радиосигналов. Патент на изобретение RUS №2624449 от 19.10.2016.

4. Комарович В.Ф., Никитченко В.В. Методы пространственной обработки радиосигналов. - Л.: ВАС, 1989. - 278 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) в условиях априорной неопределенности относительно поляризационных и пространственных параметров радиосигналов, шумов и помех, когда налагаются ограничения на габаритные размеры пеленгаторной антенной системы. Техническим результатом изобретения является снижение времени пеленгования и обеспечение более широкой области применения разработанного способа на основе использования комбинированной триортогональной антенной системы (КТОАС), состоящей из трех антенных элементов в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных антенных элементов. Способ основан на измерении с помощью КТОАС ортогональных компонент Е_х1, Е_У1, E_z1 и H_x1, Н_у1, H_z1 векторов напряженности электрического и магнитного полей и соответственно в момент времени t₁, определении ориентации векторов и в пространстве, построении вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H, определении азимута θ и угла места β на ИРИ, как углов ориентации линии пересечения вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H. 11 ил.

Способ поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием триортогональной антенной системы (ТОАС), заключающийся в том, что выбирают 3-мерную декартову систему координат (ДСК) OXYZ для производства измерений и расчетов, принимают аналоговый радиосигнал неизвестной поляризации триортогональной антенной системой с центром, совпадающим с началом О выбранной ДСК, от источника радиоизлучения (ИРИ) с неизвестными координатами в момент времени t₁, измеряют с помощью ТОАС ортогональные компоненты Е_х1, Е_у1, E_z1 вектора напряженности электрического поля принятого аналогового радиосигнала в момент времени t₁ и определяют ориентацию в пространстве путем векторного сложения измеренных ортогональных компонент Е_х1, E_y1, E_z1, формируют вспомогательную плоскость Ω_E, так, чтобы она была перпендикулярна вектору и проходила через начало координат О, после чего измеряют азимут θ и угол места β на ИРИ, используя вспомогательную плоскость Ω_E, отличающийся тем, что в качестве ТОАС используют комбинированную триортогональную антенную систему (КТОАС), состоящую из трех антенных элементов (АЭ) в виде несимметричных вибраторов штыревого типа и трех рамочных АЭ, а в момент времени t₁ дополнительно измеряют с помощью рамочных АЭ ортогональные компоненты Н_х1, Н_у1, H_z1 вектора напряженности магнитного поля принятого аналогового радиосигнала, определяют ориентацию вектора в ДСК OXYZ путем векторного сложения ортогональных компонент Н_х1, Н_у1, H_z1, строят вспомогательную плоскость так, чтобы она была перпендикулярна вектору и проходила через начало координат О, строят линию положения ИРИ на пересечении вспомогательных плоскостей Ω_E и Ω_H, после чего измеряют углы наклона линии положения ИРИ в выбранной ДСК OXYZ в горизонтальной θ и вертикальной β плоскостях, а в качестве азимута и угла места на ИРИ принимают углы θ и β соответственно.