СПОСОБ ФАЗОВОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01S3/46 

Изобретение относится к пеленгаторам источников излучения сигналов и предназначено для определения угловых координат летательных аппаратов и других объектов в системах радиолокации и радионавигации.

Известен фазовый метод пеленгации, способы и варианты осуществления которого в общем виде изложены в [1, 2]. Известен фазовый способ пеленгации [3], основанный на приеме сигналов на три разнесенные антенны, расположенные на одной линии, и измерении разностей фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй, второй и третьей антеннами. Разность разностей фаз образует грубую однозначную шкалу отсчета, сумма разностей фаз - точную неоднозначную шкалу, а сами разности фаз выполняют роль промежуточных шкал. Для устранения неоднозначности используют известное правило согласования измерительных шкал. Недостатками способа являются невысокая точность определения угловых координат источников излучения и противоречивые требования к размерам промежуточных баз.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ фазовой пеленгации [4], основанный на приеме сигналов на три антенны, разнесенные и расположенные на одной линии, при котором формируют две неравные измерительные базы d₁ и d₂, - первой и второй, второй и третьей антеннами соответственно. (Заметим, что в заявляемом изобретении базы рассматриваются в порядке возрастания размеров, т.е. принято что не меняет сущности изобретения). Измеряют разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй, второй и третьей антеннами соответственно, определяют величину разности разностей фаз с использованием которой формируют грубую, но однозначную шкалу отсчета углов, соответствующую малой измерительной базе . Дополнительно измеряют разность фаз между сигналами, принимаемыми первой и третьей антеннами, формируют с использованием разности фаз точную, но неоднозначную шкалу отсчета углов, соответствующую большой измерительной базе Разность фаз используют для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на базе d₂, при условии выполнения неравенства где λ - длина волны. Разность фаз Δϕ₂ на базе d₂ используют для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на базе d₁, при условии выполнения неравенства Используют разность фаз Δϕ₁ на базе d₁ для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на базе d_T. Угол ϑ между направлением на источник излучения и линией, объединяющей разнесенные антенны, определяют по известной конечной формуле Кроме того, согласование измерительных баз должно следовать стандартному правилу, накладываемому на удвоенную максимальную ошибку измерений на меньшей базе по отношению к интервалу однозначного измерения на большей базе (см., например, [1]).

Недостатком способа-прототипа является то, что при определении конечного результата ограничиваются только измерениями (разностью фаз Δϕ_с) на суммарной базе d_T и не используют аналогичные измерения на базах d_г, d₁, d₂ (однозначные разности фаз ). Тем самым игнорируется имеющийся естественный запас повышения точности пеленгации. В качестве замечания можно указать на содержащееся в приведенных выше неравенствах требование одновременного выполнения взаимоисключающих условий

Цель заявляемого изобретения состоит в разработке способа фазовой пеленгации источников излучения сигналов, обеспечивающего повышение точности определения угловых координат за счет совместной обработки результатов измерений по грубой (база d_г), промежуточным (d₁, d₂) и точной (d_T) шкалам.

Для достижения поставленной цели в способе фазовой пеленгации, основанном на приеме сигналов на три разнесенные антенны, расположенные на одной линии, при котором формируют три неравные измерительные базы - первой и второй, второй и третьей, первой и третьей антеннами соответственно, измеряют разности фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй, второй и третьей, первой и третьей антеннами соответственно. Определяют величину разности разностей фаз с использованием которой формируют грубую, но однозначную шкалу отсчета, соответствующую малой измерительной базе d_г=d₂-d₁. С использованием разности фаз формируют точную, но неоднозначную шкалу отсчета, соответствующую большой измерительной базе Разность используют для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на первой промежуточной шкале, соответствующей базе d₁. Полученную однозначную разность фаз Δϕ₁ на базе d₁ используют для раскрытия неоднозначности на второй промежуточной шкале, соответствующей базе d₂. Полученную однозначную разность фаз Δϕ₂ используют для раскрытия неоднозначности фазовых измерений и получения однозначной разности фаз на базе d_T. Далее разности фаз преобразуют в соответствующие значения направляющих косинусов угла прихода сигнала Результирующее значение направляющего косинуса формируют путем взвешенного суммирования упомянутых значений направляющих косинусов с весами равными где , при этом угол вычисляют по формуле

Технический результат заключается в повышении точности пеленгации источников излучения сигналов.

Заявляемое изобретение иллюстрирует фиг.1 - схема размещения приемных антенн A₁, А₂, A₃.

Рассмотрим сущность заявляемого изобретения, математическое обоснование и последовательность необходимых операций.

Сущность предлагаемого способа фазовой пеленгации состоит в максимально полном использовании имеющейся информации об угловом положении источника излучения путем оптимальной совместной обработки неравноточных (в силу разной длины баз) результатов измерений по всем базам.

Обработку сигналов, поступающих от антенн A₁, А₂, A₃ (фиг.1) через приемники, фазометры и вычитатель, выполняют в вычислителе. При обработке полученные разности фаз с помощью использованного ранее соотношения:

где - упомянутые выше разности фаз, d - соответствующие базы, преобразуют в выборку значений направляющих косинусов представляющих собой случайные величины - оценки неизвестного истинного значения и со среднеквадратическими погрешностями (СКП) определяемыми СКП фазометров и длинами баз d:

Далее для сокращения записи индекс «и» опустим. Полагая, что фазометры каналов приема сигналов и формирования разностей фаз имеют идентичные исполнение и параметры, можно считать, что их случайные погрешности независимы и характеризуются одинаковой СКП

В соответствии с (1) СКП оценки u_т равна:

Тогда для СКП оценок можно записать:

Учитывая, что представляет собой разность разностей фаз т.е. является алгебраической суммой двух независимых случайных величин, для СКП оценки u_г справедливо равенство:

Заметим, что СКП является характеристикой точности способа-прототипа. Эту величину выберем в качестве сравнительной точки отсчета при анализе точности предлагаемого способа.

С учетом сказанного, корреляционная матрица статистической выборки запишется так:

В этих условиях обработка выборки методом наименьших (МНК) позволяет получить оптимальную в среднеквадратическом смысле (эффективную), несмещенную результирующую оценку направляющего косинуса, которая в соответствии с известной процедурой МНК [2] имеет вид:

где вектор-столбец

Дисперсия ошибки МНК - оценки равна:

После несложных преобразований получим:

Вводя обозначения , эти соотношения можно записать в более компактной форме:

где

Из (2) видно, что вклад в результирующую оценку отдельных оценок пропорционален квадрату длины соответствующей базы. При этом дисперсия по сравнению с дисперсией тем меньше (выигрыш в точности тем выше), чем больше размеры грубой и промежуточных баз (см. соотношение (3)).

Важно отметить, что весовые коэффициенты в операции взвешенного суммирования (4) рассчитывают заранее. При изменении геометрии антенной системы (например, из-за подвижек грунта, уходов фазовых центров антенн и других причин) они могут уточняться периодической юстировкой.

Завершающей является операция вычисления угла по формуле . На практике при дальнейших определениях параметров траектории подвижных источников излучения и пространственного положения неподвижных излучателей преимущественное применение находят направляющие косинусы относительно двух взаимно перпендикулярных «антенных» осей X, Y (на фиг.1 ось Y не показана), либо углы азимута α и места β источника излучения, которые по полученным результирующим направляющим косинусам , рассчитывают так:

Существенные отличительные признаки заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключаются, во-первых, в преобразовании всех четырех однозначных разностей фаз в соответствующие направляющие косинусы и, во-вторых, в операции их последующего весового суммирования по формуле (4), итогом чего является оптимальное результирующее значение . В прототипе переход к направляющим косинусам не предусмотрен, а при формировании результата используется только одна разность фаз без какой-либо весовой обработки.

Приведем простой числовой пример эффективности заявляемого изобретения. Для прецизионных фазовых многошкальных пеленгаторов типовыми являются базы Подставляя эти значения в (5), получим: , т.е. выигрыш в точности по величине СКП составляет 18%, что для рассматриваемых угломерных систем с уровнем точности, близким к потенциальному, является важным результатом.

Заявляемое изобретение легко реализуется с помощью фазового пеленгатора, структурная схема которого представлена на фиг.1 описания способа-прототипа [4]. Поскольку вычислитель схемы выполняет функции регистрации и пошагового согласования разностей фаз от шкалы к шкале с формированием на каждом шаге их однозначных полных значений, он дополняется простыми вычислительными операциями перехода к направляющим косинусам и весового суммирования (4) с предварительно рассчитанными коэффициентами .

Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и обеспечивает повышение точности пеленгации источников излучения сигналов.

Источники информации

1. Космические траекторные измерения. Радиотехнические методы измерений и математическая обработка данных / П.А. Агаджанов, Н.М. Баранов, Н.И. Буренин и др.; Под ред. Агаджанова П.А., Дулевича В.Е., Коростелева А.А. - Изд. «Советское радио», 1969.

2. Основы радионавигационных измерений / В.А. Губин, А.А. Костылев, Б.Г. Мельников, М.Г. Степанов и др.; Под ред. Клюева Н.Ф. - МО СССР, 1987.

3. Патент RU 2311656.

4. Патент RU 2681942.

Использование: изобретение относится к пеленгаторам источников излучения сигналов и предназначено для определения угловых координат летательных аппаратов и других объектов в системах радиолокации и радионавигации. Сущность: способ основан на измерении разностей фаз между сигналами, принимаемыми разнесенными антеннами, определении согласованных однозначных значений направляющих косинусов на грубой, промежуточных и точной шкалах (базах) и формировании результирующей оценки направляющего косинуса путем весового суммирования указанных значений. Технический результат: повышение точности пеленгации источников излучения. 1 ил.

Способ фазовой пеленгации, основанный на приеме сигналов на три разнесенные антенны, расположенные на одной линии, при котором формируют три неравные измерительные базы d₁, d₂, d_т - первой и второй, второй и третьей, первой и третьей антеннами соответственно, измеряют разности фаз Δϕ₁, Δϕ₂, Δϕ_т между сигналами, принимаемыми первой и второй, второй и третьей, первой и третьей антеннами соответственно, определяют величину разности разностей фаз Δϕ_г = Δϕ₂ - Δϕ₁, формируют с использованием разности Δϕ_г грубую, но однозначную шкалу отсчета, соответствующую малой измерительной базе d_г = d₂ - d₁, формируют с использованием разности фаз Δϕ_т точную, но неоднозначную шкалу отсчета, соответствующую большой измерительной базе d_т = d₂ + d₁, используют разность Δϕ_г для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на первой промежуточной шкале, соответствующей базе d₁, используют полученную однозначную разность фаз Δϕ₁ на базе d₁ для раскрытия неоднозначности фазовых измерений на второй промежуточной шкале, соответствующей базе d₂, используют полученную однозначную разность фаз Δϕ₂ на базе d₂ для раскрытия неоднозначности фазовых измерений и получения однозначной разности фаз Δϕ_т на базе d_т, отличающийся тем, что полученные разности фаз Δϕ_г, Δϕ₁, Δϕ₂, Δϕ_т преобразуют в соответствующие значения направляющих косинусов u_г, u₁, u₂, u_т угла прихода сигнала ϑ, результирующее значение направляющего косинуса u_p формируют путем взвешенного суммирования u_p=c₁u_г+c₂u₁+c₃u₂+с₄u_т упомянутых значений направляющих косинусов с весами c_i, i = 1,…,4, равными с₁=а₁/а, с₂=а₂ /а, с₃=а₃ /а, с₄=а₄ /а, где при этом угол ϑ вычисляют по формуле ϑ=arccos u_p.