СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ МЕТОДОМ ОБЛЕТА Российский патент 2024 года по МПК G01R29/10 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования диаграмм направленности (ДН) антенн методом облета.

2. Уровень техники

Известен способ измерения ДН диапазонной антенны, включающий излучение сигнала на каждой частоте рабочего диапазона с борта летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны по заданной траектории [Способ измерения диаграммы направленности диапазонной антенны: А.С. СССР, SU 1804627 A3, G01R 29/10, 1993 г. ].

Известен способ измерения ДН, основанный на облете в дальней зоне исследуемой антенны с помощью пилотируемых и непилотируемых летательных аппаратов, оборудованных соответствующей измерительной аппаратурой [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леман-ский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985, стр. 128-135].

Общим недостатком вышеперечисленных способов является высокая погрешность измерения параметров ДН и невозможность расчета этой погрешности за один облет.

Известен способ измерения параметров направленности антенны с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) методом облета. Приреализации способа БПЛА, оборудованный кроме бортовой измерительной аппаратуры и приемником спутниковой навигационной системы, совершает облет исследуемой антенны в дальней зоне. При измерении параметров направленности антенны в режиме передачи сигналы, излучаемые исследуемой антенной, принимают бортовой антенной, подвергают полосовой фильтрации, измеряют их мощность и вместе с текущими временем и координатами БПЛА записывают в бортовой накопитель информации, подключенный к бортовому вычислителю, рассчитывающему ДН антенны в режиме передачи сигналов исследуемой антенной [Способ измерения параметров направленности антенны с помощью БПЛА методом облета: пат. РФ, RU 2626561 C1, G01R 29/10, 28.07.2017 г.].

Недостатком данного способа является невозможность расчета погрешности измерения параметров ДН антенны за один облет.

Наиболее близким решением к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ измерения ширины диаграммы направленности антенны методом облета [Способ измерения ширины диаграммы направленности антенны методом облета: пат. РФ, RU 2807022, G01R 29/10, 08.11.2023 г. ]. При реализации способа воздушное судно (ВС) совершает облет углового сектора азимутальных углов, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны, принимает сигналы, излучаемые исследуемой антенной, сигналы навигационной системы, а также дифференциальные поправки геодезических координат от наземного эталонного навигационного приемника, вычисляемые на основе принятых наземной навигационной антенной координат. Сигналы, принятые от исследуемой антенны, ослабляют аттенюатором, осуществляют их полосовую фильтрацию, оцифровывают в цифровом приемнике и передают в бортовой вычислитель вместе с временем их приема и текущими геодезическими координатами ВС полученными посредством бортовой навигационной антенны и бортового навигационного приемника, осуществляют в бортовом вычислителе пересчетгеодезических координат в сферические и вместе с соответствующими измерениями мощности сигналов и временем приема записывают в бортовой цифровой накопитель. После окончания облета заданного углового сектора азимутальных углов, используя бортовой вычислитель и данные, хранящиеся в бортовом цифровом накопителе, рассчитывают модуль главного лепестка (ГЛ) ДН исследуемой антенны, вычисляют его ширину и погрешность этих вычислений, а именно: методом наименьших квадратов (МНК) осуществляют расчет полинома, сглаживающего выборку измерений мощности сигналов, хранящихся в бортовом цифровом накопителе, определяют левую и правую границы ГЛ ДН исследуемой антенны и рассчитывают его ширину по уровню половинной мощности, рассчитывают производные от функции, обратной сглаживающему полиному, на левой и правой границах ГЛ ДН исследуемой антенны, а также корреляционную матрицу погрешностей оценки коэффициентов сглаживающего полинома, и затем определяют погрешность расчета ширины ГЛ ДН исследуемой антенны.

Недостатком выбранного в качестве прототипа способа является отсутствие измерений направлений боковых лепестков (БЛ) и их уровней относительно ГЛ ДН исследуемой антенны и расчета погрешностей этих измерений.

3. Раскрытие изобретения

Задачей изобретения, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка нового способа, обеспечивающего получение следующего технического результата: автоматическое измерение направлений БЛ, а также их уровней относительно ГЛ ДН исследуемой антенны и расчет погрешностей этих измерений за один облет, что, соответственно, сокращает время испытаний и стоимость их проведения.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в способе измерения параметров диаграммы направленности антенны (ДНА) методом облета, заключающемся в том, что в наземном эталонном навигационном приемнике на основепринятых наземной навигационной антенной координат вычисляют дифференциальные поправки геодезических координат, которые через наземный телеметрический передатчик и наземную телеметрическую передающую антенну передают по эфиру на борт ВС, совершающего облет исследуемой антенны в дальней зоне по предварительно определенному маршруту в секторе азимутальных углов, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны, на вход бортовой телеметрической приемной антенны и далее, через телеметрический приемник, передают на первый вход бортового навигационного приемника и используют для корректировки сигналов навигационной системы, принимаемых на борту ВС бортовой навигационной антенной и передаваемых с ее выхода на второй вход бортового навигационного приемника, в бортовом вычислителе осуществляют пересчет геодезических координат, принятых от бортового навигационного приемника, в сферические координаты, которые вместе с временем их приема записывают в бортовой цифровой накопитель, а бортовой антенной, постоянная ориентация которой на исследуемую антенну обеспечивается гиростабилизированной платформой, осуществляют прием сигналов, излучаемых исследуемой антенной, ослабляют их аттенюатором, осуществляют их полосовую фильтрацию, оцифровывают в цифровом приемнике, передают в бортовой вычислитель, и записывают вместе с временем их приема в бортовой цифровой накопитель, дополнительно после окончания облета последовательность измерений мощности фильтруют медианным фильтром с целью устранения быстрых флуктуаций, в фильтрованной последовательности отыскивают максимумы, из которых один является максимумом ГЛ, а остальные - максимумами БЛ ДН исследуемой антенны, вокруг каждого найденного максимума формируют угловой сектор, внутри которого фильтрованные значения измерений мощности меньше этого максимума не более, чем на заданный порог, в каждом сформированном угловом секторе выбирают нефильтрованные измерения мощности, осуществляют их сглаживание с получением МНК полинома степени К, описывающего модуль лепестка(ГЛ или БЛ) ДН исследуемой антенны, демодулируют и центрируют выборку измерений мощности в каждом угловом секторе, определяют выборочную дисперсию центрированной выборки измерений, находят в выборке демодулированных и центрированных измерений мощности аномальные измерения (грубые ошибки), исключают из выборки измерений мощности те значения, которые соответствуют найденным аномальным измерениям (грубым ошибкам) в демодулированной и центрированной выборке измерений мощности, затем вновь, как было описано выше, сглаживают скорректированную выборку измерений мощности МНК, получают сглаживающий полином степени К, вновь получают, как описано выше, выборку демодулированных и центрированных измерений мощности и рассчитывают ее выборочную дисперсию, осуществляют проверку данной выборки на нормальность, некоррелированность и отсутствие тренда, и при отсутствии в ней указанных недостатков определяют максимумы сглаживающих полиномов для каждого лепестка ДН исследуемой антенны, определяют из этих максимумов главный максимум, соответствующий ГЛ ДН исследуемой антенны, рассчитывают левую и правую границы каждого лепестка ДН исследуемой антенны на уровне половинной мощности и его угловое направление, определяют ширину ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности, определяют уровень каждого БЛ относительно ГЛ ДН исследуемой антенны, рассчитывают корреляционную матрицу погрешностей оценки коэффициентов сглаживающего полинома и определяют значение дисперсии погрешности оценки сглаженных измерений для каждого лепестка ДН исследуемой антенны, рассчитывают величины обратные производным от сглаживающих полиномов на их левых и правых границах по уровню половинной мощности и определяют среднюю квадратическую погрешность измерения ширины ГЛ ДН, среднюю квадратическую погрешность измерения направления каждого лепестка ДН исследуемой антенны, определяют среднюю квадратическую погрешность измерения уровня каждого БЛ относительно уровня ГЛ ДН исследуемой антенны, и опреленныепараметры ДН исследуемой антенны записывают в бортовой цифровой накопитель, а в случае наличия в выборках демодулированных и центрированных измерений мощности аномальных измерений (грубых ошибок) более установленного количества, или невыполнения критерия принадлежности их к нормальному закону распределения, или наличия в них автокорреляции, или тренда результаты измерений отменяют как некорректные, проводят повторный пролет ВС по заданному маршруту и повторяют измерения, предварительно устранив причины некорректности измерений, полученных в предыдущем полете. Степень полинома К определяют перед началом измерений путем последовательных уточнений (последовательного повышения степени полинома) в ходе цифрового статистического моделирования измерений исследуемой ДН, прекращая уточнение, если величина среднего квадратического отклонения ширины ГЛ моделируемой ДН исследуемой антенны от ширины ГЛ теоретически рассчитанной ДН исследуемой антенны, полученная по N реализациям моделирования при степени сглаживающего полинома K+1, становится больше аналогично рассчитанной величины при степени сглаживающего полинома K.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенный способ обладает другими существенными, новыми отличительными от прототипа признаками. Новыми отличительными признаками заявляемого способа являются:

- фильтрация последовательности измерений мощности медианным фильтром с целью устранения быстрых флуктуаций;

- поиск в фильтрованной последовательности измерений мощности максимумов, из которых один является максимумом ГЛ, а остальные - максимумами БЛ ДН исследуемой антенны;

- формирование вокруг каждого найденного максимума углового сектора, внутри которого фильтрованные значения измерений мощности меньше этого максимума не более, чем на заданный порог;

- расчет погрешности измерений направлений БЛ, а также их уровней относительно ГЛ ДН исследуемой антенны на основе сглаживания МНК нефильтрованных измерений мощности в каждом выделенном угловом секторе и определения дисперсий этого сглаживания.

Отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе достаточны для достижения поставленной задачи изобретения, на решение которой направлено заявляемое изобретение.

4. Пояснения к графическим материалам

На фиг. 1 приведена схема устройства, которое может быть использовано для измерения ширины ГЛ ДН исследуемой антенны на передачу. Устройство содержит исследуемую антенну (РЛС) 1, воздушное судно (ВС) 2, бортовую антенну 3, гиростабилизированную платформу (ГСП) 4, аттенюатор 5, цифровой приемник 6, бортовой вычислитель 7, бортовой цифровой накопитель 8, бортовую навигационную антенну 9, бортовой навигационный приемник 10, бортовую телеметрическую приемную антенну 11, телеметрический приемник 12, наземную навигационную антенну 13, наземный эталонный навигационный приемник 14, наземный телеметрический передатчик 15 и наземную телеметрическую передающую антенну 16. При этом выход размещенной на земле исследуемой антенны (РЛС) 1 связан по эфиру с бортовой антенной 3 ВС 2, а на борту ВС 2 бортовая антенна 3, размещенная на гиро-стабилизированной платформе 4, аттенюатор 5 и цифровой приемник 6, выход которого соединен с первым входом бортового вычислителя 7, соединены последовательно, выход бортового вычислителя 7 соединен с входом бортового цифрового накопителя 8, выход которого соединен с третьим входом бортового вычислителя 7, выход бортовой навигационной антенны 9 соединен со вторым входом бортового навигационного приемника 10, выход которого соединен с вторым входом бортового вычислителя 7, выход бортовой телеметрической приемной антенны 11 соединен с входом телеметрического приемника 12, выход которого соединен с первым входом бортового навигационного приемника 10, а наземная навигационная антенна 13, наземный эталонныйнавигационный приемник 14, наземный телеметрический передатчик 15 и наземная телеметрическая передающая антенна 16, выход которой соединен по эфиру с входом бортовой телеметрической приемной антенны 11, соединены последовательно.

На фиг. 2 поясняется влияние крутизны модуля ГЛ ДНА на погрешность измерения его ширины.

На фиг. 3 показаны результаты фильтрации исходной последовательности измерений мощности и поиска максимумов при использовании трех типов фильтров по реализации одного цикла моделирования при зашумленности исходной последовательности измерений мощности ΔР_зад=20%.

На фиг. 4 приведены результаты фильтрации исходной последовательности измерений мощности тремя типами фильтров в области БЛ, второго справа от ГЛ ДНА, при зашумленности исходной последовательности измерений мощности ΔР_зал=20%.

На фиг. 5 приведена значения среднего квадратического отклонения измеренного направления максимума БЛ, второго справа от ГЛ ДНА, при различной степени зашумленности исходной последовательности измерений мощности.

На фиг. 6 показаны результаты фильтрации исходной последовательности измерений мощности и поиска максимумов при использовании трех типов фильтров при ΔР_зад=20% и наличии аномальных измерений.

На фиг. 7 показаны изменения значений средней квадратической погрешности измеренного направления максимума БЛ, второго справа от ГЛ ДНА, при использовании трех типов фильтров при различной степени зашумленности исходной последовательности измерений мощности и наличии аномальных измерений.

На фиг. 8 показаны измерения мощности в ГЛ ДНА, полученные по модели, при наличии в выборке аномальных измерений мощности (грубых ошибок).

На фиг. 9 показаны измерения мощности в ГЛ ДНА, полученные по модели, после удаления из выборки аномальных измерений мощности (грубых ошибок).

На фиг. 10 показаны демодулированные и центрированные значения измерений мощности в ГЛ ДНА и их автокорреляционная функция после удаления аномальных измерений мощности.

На фиг. 11 показан результат проверки демодулированной и центрированной выборки измерений мощности на нормальность по «критерию

На фиг. 12 показано схождение среднего значения ширины ГЛ ДНА, полученного с использованием предлагаемого способа, к ширине ГЛ теоретически рассчитанной ДНА.

На фиг. 13 показано схождение усредненного значения средней квадра-тической погрешности измерения ширины ГЛ ДНА (линия 1), полученной предлагаемым способом, и среднего квадратического отклонения ширины ГЛ моделируемой ДНА от ширины ГЛ теоретически рассчитанной ДНА (линия 2).

На фиг. 14 показан результат измерения ширины Г Л ДНА с использованием МНК, полученные по результатам 300 реализаций цифрового статистического моделирования.

На фиг. 15 показаны результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем ГЛ ДНА, полученные при ΔР=45%.

На фиг. 16 показаны результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем 1-му БЛ ДНА, полученные при ΔР=45%.

На фиг. 17 показаны графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а такжедоверительные границы для измеренного значения уровня 1-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования (N_M=10³) для каждого значения ΔР.

На фиг. 18 показаны результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем 2-му БЛ ДНА, полученные при ΔР=45%.

На фиг. 19 приведены графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а также доверительные границы для измеренного значения уровня 2-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования (N_M=10³) для каждого значения ΔР.

На фиг. 20 приведены результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем 3-му БЛ ДНА.

На фиг. 21 приведены графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а также доверительные границы для измеренного значения уровня 3-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования (N_M=10³) для каждого значения ΔР.

На фиг. 22 приведены теоретический уровень первого БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15%.

На фиг. 23 приведены теоретический уровень первого БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=45%.

На фиг. 24 приведены теоретический уровень второго БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15%.

На фиг. 25 приведены теоретический уровень второго БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=45%).

На фиг. 26 приведены теоретический уровень третьего БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15%.

На фиг. 27 приведены теоретический уровень третьего БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=45%.

Для реализации предлагаемого технического решения может быть использовано стандартное оборудование.

Исследуемая антенна (РЛС) 1 может быть выполнена в виде РЛС типа П-18Р [Военно-техническая подготовка. Устройство РЛС РТВ ВВС. Радиолокационная станция П-18Р: учеб. в 2 ч. Ч.1/ Е.Н. Гарин, Д.Д. Дмитриев, В.Н. Тяпкин и др.; ред. Е.Н. Гарин. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012 г.].

ВС 2 может быть выполнено в виде вертолета или же беспилотного летательного аппарата (БЛА) [Патент РФ RU 2666493, Беспилотный летательный аппарат, МКП В64С 39/00, 2018 г. ].

Бортовая антенна 3 может быть выполнена в виде турникетной антенны [И.Н. Григоров. Антенны. М.: Радиософт, 2003 г., стр. 152, рис. 13.1].

ГСП 4 может быть выполнена в виде гиростабилизированного подвеса требуемой грузоподъемности [Сайт-портал https://russiandrone.ru. [Электронный ресурс]: URL: https://russiandrone.ru/catalog/poleznaya-nagruzka/girostabilizirovannye-podvesy/girostabilizirovannye-platformy].

Аттенюатор 5 может быть выполнен в виде аттенюатора с ручным управлением типа 5-3-127-A-1-S-12V [Белов Л.А. Аттенюаторы СВЧ-сигналов // Электроника: НТБ, 2006, №2].

Цифровой приемник 6 может быть выполнен в виде анализатора спектра Agilent N9917A [Контрольно-измерительные решения Agilent. США: каталог фирмы Agilent, 2014 г.].

Бортовой вычислитель 7 может быть выполнен в виде микро-ЭВМ типа LP-174 [LP-174 User's manual. Edition 1.3, 2016. [Электронный ресурс: URL: https://www.manualslib.com/download/1449575/Commell-Lp-174.htm].

Бортовой цифровой накопитель 8 может быть выполнен в виде в виде устройства памяти SSD типа Tammuz GK300 [Электронный ресурс: URL: https://www.dns-shop.ru/product/bdf0436e70ca3332/128-gb-25-sata-nakopitel-tammuz-gk300-tgk30128а58/characteristics/].

Бортовая навигационная антенна 9, бортовой навигационный приемник 10, бортовая телеметрическая приемная антенна 11, телеметрический приемник 12, наземная навигационная антенна 13, наземный эталонный навигационный приемник 14, наземный телеметрический передатчик 15 и наземная телеметрическая передающая антенна 16 могут быть выполнены в виде комплекта GNSS приемника Leica GPS ISG60 (GSM/GPRS/RTK Ровер+База ICON ICG60+Контроллер ICON СС 80+Контроллер ICON СС 50) [Электронный ресурс: URL: https://geosistems.ru/shop/gnss-oborudovanie/recomenduemye-koplekty/rtk-basa-i-rover].

5. Осуществление изобретения

ВС 2 в дальней зоне исследуемой антенны (РЛС) 1 совершает облет углового сектора азимутальных углов, центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной ДН исследуемой антенны(РЛС) 1. Облет проводят на одном удалении от фазового центра исследуемой антенны (РЛС) 1 и на одной высоте с постоянной скоростью. Во время полета ВС 2 по заданному маршруту сигналы, излучаемые исследуемой антенной (РЛС) 1, принимают на борту ВС 2 бортовой антенной 3, ослабляют аттенюатором 5, осуществляют их полосовую фильтрацию, оцифровывают в цифровом приемнике 6 и передают в бортовой вычислитель 7. Полученные посредством бортовой навигационной антенны 9 и бортового навигационного приемника 10 текущие геодезические координаты ВС 2 вместе с временем также передают в бортовой вычислитель 7. В бортовом вычислителе 7 пересчитывают геодезические координаты в сферические координаты (дальность, азимут, угол места), которые используются для расчета параметров ДНА исследуемой антенны (РЛС) 1, и вместе с соответствующими измерениями мощности записывают в бортовой цифровой накопитель 8. После окончания облета заданного углового сектора азимутальных углов бортовой вычислитель 7, используя данные, хранящиеся в бортовом цифровом накопителе 8, рассчитывают параметры ДН исследуемой антенны (РЛС) 1, а именно: ширину и направление ГЛ ДНА, а также погрешности их расчета; направление и уровень БЛ относительно ГЛ ДНА, а также погрешности их расчета. Результаты расчетов записывают в бортовой цифровой накопитель 8. Для корректировки текущих геодезических координат ВС 2 в наземном эталонном навигационном приемнике 14 на основе принятых наземной навигационной антенной 13 координат вычисляют дифференциальные поправки геодезических координат, которые через наземный телеметрический передатчик 15 и наземную телеметрическую передающую антенну 16 передают по эфиру на вход бортовой телеметрической приемной антенны 11 и далее, через телеметрический приемник 12, передают на первый вход бортового навигационного приемника 10. ГСП 4 обеспечивает постоянную ориентацию бортовой антенны 3 на исследуемую антенну (РЛС) 1.

При пересчете координат геодезические координаты (широта, долгота, высота) сначала пересчитываются в геоцентрическую систему координат (СК) согласно [ГОСТ 32453-2017. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. Введен в действие с 01.07.2018 г. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 сентября 2017 г. №1055-ст., стр. 6, формулы (1)-(3)], затем из геоцентрической СК в топоцентрическую прямоугольную СК, центр которой находится в фазовом центре исследуемой антенны (РЛС) 1, согласно [Ю.С.Саврасов. Алгоритмы и программы в радиолокации. М.: Радио и связь, 1985, стр. 130, формулы (5.6) - (5.8)] и затем в сферическую СК (дальность, азимут, угол места) согласно [Ю.С.Саврасов. Алгоритмы и программы в радиолокации. М.: Радио и связь, 1985, стр. 130, формулы (5.5)].

Расчет параметров ДН исследуемой антенны в плоскости углов θ и погрешности этих вычислений рассчитывают следующим образом. В результате пролета ВС вдоль сечения ДН исследуемой антенны в плоскости углов θ получают выборку из N измерений мощности P(θ_i), где θ_i - равнодискретная последовательность углов, i=1…N.

На первом этапе определяют направления максимумов, соответствующих максимумам как ГЛ, так и БЛ ДН исследуемой антенны. Для этого последовательность измерений мощности P(θ_i) сглаживают с целью устранения быстрых флуктуаций. Причем, на этом этапе не требуется высокая точность определения направления вышеуказанных максимумов ДНА. В качестве сглаживающих фильтров могут быть использованы, например, полиномиальный фильтр Савицкого-Голея, усредняющий фильтр или медианный фильтр. Выбор можно осуществить, сравнивая точность определения максимумов лепестков ДНА, получаемую при использовании всех указанных фильтров. Размер окна сглаживающего фильтра (М смежных позиций в последовательности измерений мощности P(θ_i)) должен быть несколько меньше предполагаемой ширины БЛ ДНА. Это обеспечивает и достоверность полученного результата, и его точность. Больший размер сглаживающего окна будет приводить к худшим результатам фильтрации в области максимумов, поскольку в этом случае в окне, центр которого находится в области какого-либо максимума, будут находиться как «свои» измерения мощности так и измерения мощности, «принадлежащие» смежным лепесткам ДНА. Уменьшенный же размер окна поиска максимума может приводить к появлению ложных максимумов. В среде MATLAB реализация указанных фильтров реализуется следующими функциями:

- фильтр Савицкого-Голея, где вектор исходных

данных; S - степень сглаживающего полинома;

mean(M) - усредняющий фильтр;

median(M) - медианный фильтр.

Причем, для реализации фильтра Савицкого-Голея размер окна М должен быть нечетным.

В фильтрованной последовательности где i=1…N, отыскивают максимумы, из которых один является максимумом ГЛ ДНА, а остальные - максимумами БЛ ДНА. Поиск максимумов осуществляют в режиме скользящего окна следующим образом. Первоначально, в первом такте работы, в окно поиска размером М записывают значения с из которых выбирают максимум и запоминают его позицию в последовательности Р_ф(θ_i). На втором такте окно поиска максимума сдвигают на одну позицию по последовательности и в него записывают значения с ,и снова определяется максимум, фиксируют его позицию и т.д. Если на смежных позициях окна номера позиций максимумов совпадают, то запускают счетчик совпадений. А если на смежных позициях окна номера позиций максимумов не совпадают, то счетчик совпадений обнуляют. При достижении счетчиком совпадений порогового значения, равного (М-1), принимают решение о наличии локального максимума. После чего окно поиска смещаютсразу на М позиций, и все операции повторяют для поиска следующего максимума. Последнее положение окна вмещает значения фильтрованной выборки с После прохождения окном поиска максимума всей последовательности получают L максимумов соответствующими им угловыми направлениями Среди всех значений одно, с определенной погрешностью, соответствует максимуму ГЛ, а другие, также с определенной погрешностью, соответствуют максимумам БЛ ДНА.

На втором этапе возле каждого найденного максимума выделяют угловой сектор, внутри которого фильтрованные значения измерений мощности меньше этого максимума не более, чем на заданный порог Р_П. В каждом угловом секторе выбирают измерения мощности число выборок измерений мощности в l-ом угловом секторе, и осуществляют их сглаживание с получением по МНК полинома, описывающего модуль лепестка (ГЛ или БЛ) ДНА, вида

где K - степень сглаживающего полинома;

b_k - коэффициенты полинома.

Непосредственно коэффициенты полинома (1) можно вычислить с помощью функции MATLAB где Р - массив измеренных значений мощности θ - массив соответствующих им углов в l-ом угловом секторе, s - содержит вспомогательную информацию. Степень полинома выбирают до начала измерений по результатам цифрового статистического моделирования (поясняется в примере, рассматриваемом ниже) с целью минимизировать погрешности сглаживания.

После получения сглаживающего полинома (1) в l-ом угловом секторе выборку измерений демодулируют и центрируют в соответствии с выражением

где демодулированные измерения мощности в l-ом угловом секторе;

значения полинома (1) в точках θ_j в l-ом угловом секторе;

выборочное среднее значение демодулированных измерений мощности в l-ом угловом секторе.

Определяют выборочную дисперсию демодулированных и центрированных значений измерений мощности в l-ом угловом секторе как

Выборочная дисперсия является оценкой погрешностей измерения мощности без учета модулирующего влияния формы ДН исследуемой антенны в l-ом угловом секторе.

В полученной выборке демодулированных и центрированных измерений мощности проводят поиск аномальных измерений (грубых ошибок), например, по критерию Граббса [ГОСТ 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №1045-ст от 13 декабря 2011 г., стр. 4, Приложение А]. При наличии в выборке демодулированных и центрированных измерений мощности аномальных измерений (грубых ошибок) проводят исключение из выборки измерений мощности, соответствующих этим аномальным измерениям. Причем, вместо исключенного из этой выборки значения в нее вводят скорректированное значение, равное среднему от предыдущего значения и последующего значения Затем вновь, как было описано выше, сглаживают скорректированную выборку измерений мощности МНК, получая сглаживающий полином (1). После получения сглаживающего полинома (1) откорректированную выборку измерений демодулируют и центрируют в соответствии с выражением (2) и определяют ее выборочную дисперсию согласно (3).

Проверку демодулированной и центрированной выборки измерений мощности на:

нормальность проводят, например, по «критерию Пирсона с r=3+K степенями свободы с доверительной вероятностью α [Рекомендации по стандартизации. Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть 1. Критерии типа хи-квадрат. Приняты и введены в действие Постановлением Госстандарта России от 14 декабря 2001 г., №525-ст., стр. 45-46, Приложение А (таблица А.28), Приложение Б (таблица Б1)];

некоррелированность проводят, например, по критерию автокорреляции [А.И. Кобзарь. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. - М.: «ФИЗМАТЛИТ», 2006, стр. 536-537];

отсутствие тренда проводят, например, по критерию серий Вальда-Вол-фовитца [А.И. Кобзарь. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. - М.: «ФИЗМАТЛИТ», 2006, стр. 526-529].

Если выборка не принадлежит нормальному закону или имеет значимую автокорреляцию, имеет тренд или большое количество грубых ошибок, то следует устранить причины, вызвавшие это, и повторить измерения.

При отсутствии в выборке указанных недостатков определяют максимумы сглаживающих полиномов для каждого лепестка ДНА как

а максимум, соответствующий ГЛ ДНА, определяют, как

рассчитывают левую границу и правую границу каждого лепестка ДНА на уровне половинной мощности путем итерационного решения системы уравнений:

где максимальное значение сглаживающего полинома в l-ом угловом секторе.

Система уравнений (6) может быть решена методом «золотого сечения» [В.Ф. Формалев, Д.Л. Ревизников. Численные методы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, стр. 200-203].

Ширину ГЛ ДНА по уровню половинной мощности (по уровню ) определяют как

где l-й угловой сектор соответствует ГЛ.

Угловое направление l-го углового сектора (БЛ или ГЛ ДНА) определяют как

Уровень l-го лепестка ДНА определяют как

Погрешность измерения как направлений и ширины лепестков ДН исследуемой антенны, так и погрешность измерения уровней БЛ относительно ГЛ ДНА определяется степенью соответствия полинома форме БЛ или ГЛ измеряемой ДНА. Это соответствие определяется дисперсией погрешности оценки сглаженных измерений мощности. Для отыскания этой погрешности определяют значение элемента, расположенного на пересечении первой строки и первого столбца (K+1)×(K+1)-мерной корреляционной матрицы погрешностей оценки коэффициентов полинома (1), которая определена как [С.З. Кузьмин. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: Издательство КВЩ, 2000, стр. 195, формула (7.28)]:

матрица Вандермонда, элементы которой представляют результат дифференцирования полинома (1) по k-му коэффициенту [С.З. Кузьмин. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: Издательство КВЩ, 2000, стр. 194, формула (7.20)];

мерная корреляционная матрица погрешностей измерений мощности [С.З. Кузьмин. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: Издательство КВЩ, 2000, стр. 189, формула (7.10)].

Матрица является диагональной, поскольку измерения мощности после проведенной демодуляции являются некоррелированными. Учет модулирующего действия ДНА на погрешности измерения мощности в (10) учитывают путем взвешивания диагональных элементов матрицы значениями полинома рассчитанными в соответствующих точках шкалы углов в. Соответственно, искомое значение дисперсии погрешности оценки сглаженных измерений мощности определяют, как

где элемент первой строки и первого столбца матрицы

D - определитель матрицы

алгебраическое дополнение элемента матрицы равное в данном случае (первая строка и первый столбец матрицы) дополнительному минору элемента который является определителем матрицы, получаемой путем вычеркивания первой строки и первого столбца из матрицы [Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, стр. 35, формулы (1.5-1 - 1.5.4)].

Определители матриц могут быть получены с помощью функции MATLAB det(B), где В - соответствующая матрица.

Среднюю квадратическую погрешность измерения ширины лепестка ДНА на уровне мощности определяют согласно предлагаемого способа как

- оценка дисперсии погрешности измерения левой границы ГЛ ДНА, а

- оценка дисперсии погрешности измерения правой границы ГЛ ДНА, определяемые по правилу оценки погрешности косвенного измерения [МИ 2083-90. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей. Введена в действие Комитетом стандартизации и метрологии СССР с 01.01.1992 г. ];

- значение производной от функции в точке на левом краю, - значение производной от функции в точке на правом краю ГЛ ДНА;

функция, обратная функции в угловом секторе, соответствующем ГЛ ДНА.

Поскольку является обратной функцией к функции то производные в (12) определяют как [Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, стр. 111 (таблица 4.5-2)]:

производная от функции

Смысл производных в (12) поясняется на фиг. 2. Из приведенных на фиг. 2 двух случаев измерения следует, что одинаковые погрешности измерения мощности приводят к разным погрешностям в измерении границ ГЛ ДНА.

Там, где функция имеет большую крутизну, т.е. большие значения производной и, соответственно, малые значения производной погрешности будут меньше. Среднюю квадратическую погрешность измерения направления лепестка ДНА определяют согласно предлагаемого способа как

Среднюю квадратическую погрешность измерения уровня l-го БЛ относительно уровня ГЛ ДНА вычисляют как

где определяют согласно (11) для углового сектора, соответствующего ГЛ ДНА.

6. Оценка работоспособности предлагаемого способа Оценка работоспособности предлагаемого способа измерения параметров ДНА методом облета и выбор степени полинома (1) была проведена методом статистического цифрового моделирования в соответствии с [ГОСТ 34100.3.1-2017. Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения. Дополнение 1. Трансформирование распределений с использованием метода Монте-Карло. Введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №1066-ст от 12 сентября 2018 г. ].

В качестве примера был промоделирован процесс измерения параметров ДН исследуемой антенны (РЛС) 1, содержащей 8 горизонтально расположенных излучателей, питаемых синфазно равной амплитудой. Моделирование осуществлялось согласно [МИ 2091-90. Рекомендации. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения физических величин. Общие требования. М.: Издательство стандартов, 1991. Дата введения 01.01.1992 г., стр. 5-6] и [ГОСТ 34100.3.1-2017/. Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения. Дополнение 1. Трансформирование распределений с использованием метода Монте-Карло (ISO/IEC Guide 98-3/Suppl 1:2008, IDT). Издание официальное. М.: Москва, Стандартинформ, 2018. Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 июля 2017 г. №101-П).] при следующих задаваемых параметрах:

- число элементов линейной АР

- расстояния между излучателями

- амплитудное распределение по излучателям равномерное;

- дискретность задаваемых точек траекторий полета БЛА по углу

- отклонение максимума ГЛ ДНА от нормали к АР

- размер окна фильтра Савицкого-Голея/фильтра поиска максимума М=81;

- степень фильтра Савицкого-Голея S=4;

- порог, используемый для формирования выборок измерений мощности в угловых секторах (в лепестках ДН исследуемой антенны), Р_П=5 дБ;

- степень сглаживающего полинома МНК K=6.

Зашумленные измерения мощности моделировались в виде выражения [В.В. Быков. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Сов. радио, 1971, стр. 25, формула (1.12)]:

где randn(0;1) - случайное нормальное число с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией;

σ_Р - заданная средняя квадратическая погрешность измерений мощности;

σ_Ш - среднее квадратическое отклонение шума (σ_Ш=-60 дБ);

теоретическое значение нормированного модуля ДН АР, соответствующее угловому направлению θ_i.

Теоретическое значение нормированного модуля ДН АР, соответствующее угловому направлению θ_i, при условии изотропности излучателей определяют как [А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, доп.и переработ.- М.: Сов. радио, 1974. - 536 с: ил., с. 400, формула (XVIII.4)]:

где θ_i изменяется от начального угла θ_н до конечного угла θ_к с дискретностью dθ.

На фиг. 3 приведена реализация одного цикла моделирования. Здесь приведены графики рассчитанной ДНА (эталон), зашумленных измерений мощности (эталон+шум), фильтрованных измерений мощности - фильтром Савицкого-Голея (С-Г), усредняющим фильтром (Сред.) и медианным фильтром (Мед.), а также измеренные углы максимума ГЛ (обозначены крестиками) и максимумов БЛ (обозначены точками) ДНА. При моделировании измерений мощности, приведенных на фиг. 3, было принято относительно значения теоретического уровня нормированного модуля ДНА на соответствующем угловом направлении.

Соответствие величины величине угловому направлению максимума l-го БЛ теоретически рассчитанной ДНА, оценивалось по среднему квадратическому отклонению, рассчитываемому как

где N_M - число циклов моделирования.

На фиг. 4 в укрупненном масштабе приведена та же реализация моделирования, что и на фиг. 3, для второго БЛ справа от ГЛ ДНА. Для данного примера номер БЛ второго справа от ГЛ ДНА равен

На фиг. 5 приведены графики изменения значений среднего квадратического отклонения измеренного направления максимума БЛ, второго справа от ГЛ ДНА, полученные при использовании трех вышеупомянутых сглаживающих фильтров для различных уровней зашумления измеренных значений мощности

Анализ результатов моделирования, приведенных на фиг. 5, показывает, что для предварительного определения угловых направлений максимумов лепестков ДНА в качестве сглаживающего фильтра следует использовать усредняющий фильтр. Однако усредняющий фильтр эффективен при отсутствии различных отклонений от принятой модели измерений. На фиг. 6 приведены результаты сглаживания исходной последовательности измерений мощности и поиска максимумов при использовании трех типов фильтров, а на фиг. 7 -значения среднего квадратического отклонения измеренного направления максимума БЛ, при наличии аномальных измерений, которые моделировались в виде случайной последовательности значений, равных максимальному значению мощности в данном цикле моделирования. Как видно из анализа графиков, приведенных на фиг. 6, наличие аномальных измерений слабо влияет на устойчивость медианного фильтра. Его характеристики по измерению направления максимума БЛ при наличии аномальных измерений (см. фиг. 7) практически не изменились по сравнению с характеристиками, полученными при отсутствии таких аномальных измерений.

После определения угловых направлений лепестков ДНА приступают к расчету ее параметров - определяют ширину и направление ее ГЛ, а также уровень БЛ относительно ГЛ.

Значение степени сглаживающего полинома (1) выбирают путем последовательных уточнений (последовательного повышения степени полинома). При каждом уточнении сравниваются две величины:

- среднеквадратическое отклонение величины - ширины ГЛ ДНА по уровню половинной мощности, полученной в i-й реализации моделирования согласно (7) при степени сглаживающего полинома K, от величины

- среднеквадратическое отклонение величины - ширины ГЛ ДНА по уровню половинной мощности, полученной в i-й реализации моделирования согласно (7) при степени сглаживающего полинома K+1, от величины

Уточнения прекращаются, если выполняется неравенство:

Ширину ГЛ теоретически рассчитанной ДНА по уровню половинной мощности определяют, как

где левую границу и правую границу ГЛ ДНА определяют путем итерационного решения системы уравнений:

Среднее значение измеренной ширины ГЛ моделируемой ДНА определяют, как

По результатам проведения N_M=50000 циклов моделирования составлена таблица, в которой приведены результаты сравнения оценки ширины ГЛ ДНА на уровне половинной мощности, полученные предлагаемым способом при разных степенях сглаживающего полинома и с шириной ГЛ теоретически рассчитанной ДНА.

Таблица - Оценки ширины ГЛ ДНА на уровне половинной мощности, полученные предлагаемым способом при

Из анализа таблицы следует, что степень полинома (1), используемого для сглаживания выборок измерений мощности с целью вычисления ширины ГЛ ДНА и погрешности ее вычисления, следует выбрать равной 6. Это обеспечит минимальное значение погрешности измерения ширины ГЛ ДНА

по сравнению с использованием других степеней полинома (1).

На фиг. 8-14 приведены результаты моделирования одной реализации измерений в угловом секторе, соответствующему ГЛ ДНА при ΔР_зад=20%.

На фиг. 8 приведены графики модели нормированных измерений мощности и сглаживающего полинома 6-й степени, полученный с помощью функции MATLAB polyfit(θ, P, K).

Как видно из графиков, приведенных на фиг. 8, наличие грубых ошибок приводит к искажению сглаживающего полинома.

На фиг. 9 приведены графики модели нормированных измерений мощности и сглаживающего полинома 6-й степени после удаления из выборки аномальных измерений мощности (грубых ошибок) по критерию Граббса. Нормировка осуществлялась максимальным значением измеренной мощности, моделированной согласно (16).

На фиг. 10 приведены демодулированные и центрированные значения измерений мощности и их автокорреляционная функция после удаления аномальных измерений. Как видно из качественного анализа графиков, приведенных на фиг. 10, выборка выглядит как нормальная, некоррелированная и не имеющая тренда.

Проверка гипотезы на нормальность выборки проведена по «критерию Пирсона с r=R-3 степенями свободы и доверительной вероятностью 0,99 (уровень значимости α=0,01), где R=12- число дискрет разбивки шкалы углов θ. Результат использования «критерия в одной реализациимоделирования приведен на фиг. 11. Необходимые для построения гистограмм распределения значения выборочного среднего и выборочного среднего квадратического отклонения выборки определялись с помощью функций MATLAB mean Их значения для примера, приведенного на фиг. 9, составили соответственно

Проверка качества (соответствия нормальному закону распределения) выборки продолжается далее по критерию автокорреляции с доверительной вероятностью 0,99, а затем на отсутствие тренда - по сериальному критерию Вальда-Волфовитца также с доверительной вероятностью 0,99. Таким образом, общая доверительная вероятность (по результатам трех проверок) соответствия выборки нормальному закону распределения составляет 0,99³=0,97.

На фиг. 12 показано схождение величины среднего значения ширины ГЛ моделируемой ДНА при K=6 к величине ширине ГЛ теоретически рассчитанной ДНА в зависимости от числа циклов цифрового статистического моделирования.

На фиг. 13 показано асимптотическое схождение усредненного по результатам N_M циклов цифрового моделирования значения средней квадратической погрешности измерения ширины ГЛ ДНА (линия 1), определяемого как

где средняя квадратическая погрешность измерения ширины ГЛ ДНА на уровне половинной мощности, определяемая в l - ом цикле моделирования согласно (12), и среднего квадратического отклонения ширины ГЛ моделируемой ДНА от ширины ГЛ теоретически рассчитанной ДНА(линия 2), определяемого согласно (19.2), в зависимости от числа реализаций цифрового статистического моделирования.

На фиг. 14 приведены графики ширины ГЛ теоретически рассчитанной ДНА, значения ширины ГЛ моделируемой ДНА по уровню половинной мощности, измеренные предлагаемым способом согласно (7), и границы доверительного интервала для нее в каждой i-ой реализации цифрового статистического моделирования при К=6. Границы доверительного интервала рассчитываются как

средняя квадратическая погрешность измерения ширины ГЛ ДНА по уровню половинной мощности, полученная согласно (12).

Как видно из анализа графиков, приведенных на фиг. 14, ширина ГЛ теоретически рассчитанной ДНА находится внутри доверительных границ. Причем, при выбранной ширине доверительных границ допускается порядка 0,3% превышений этих границ (закон «трех сигм»).

На фиг. 15 и 16 приведены примеры моделирования и сглаживания измерений мощности в угловых секторах, соответствующих ГЛ и первому БЛ ДНА, при ΔР_зад=45%. При этом нормирование моделированных значений мощности и сглаживающих полиномов проводилось значением определенным согласно (5).

На фиг. 17 приведены графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а также доверительные границы для измеренного значения уровня 1-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования N_M=10³) для каждого значения ΔР.

На фиг. 18 приведены результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем 2-му БЛ ДНА.

На фиг. 19 приведены графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а также доверительные границы для измеренного значения уровня 2-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования (N_M=10³) для каждого значения ΔР.

На фиг. 20 приведены результаты моделирования и сглаживания измерений мощности в угловом секторе, соответствующем 3-му БЛ ДНА.

На фиг. 21 приведены графики теоретического уровня первого БЛ, максимальных, минимальных и усредненных значений уровня первого БЛ, а также доверительные границы для измеренного значения уровня 3-го БЛ, полученные согласно предлагаемого способа по результатам N_M циклов цифрового моделирования (N_M=10³) для каждого значения ΔР.

Доверительные границы для измеренного значения уровня l-го БЛ (l=1…3), полученного предлагаемым способом, определяются как

где значение определяется согласно (9), а согласно (15) в i-м цикле моделирования.

Доверительные границы для измеренного значения уровня l-го БЛ по результатам многократных испытаний определяются как

уровень l-го БЛ относительно ГЛ ДНА, усредненный за N_M циклов моделирования;

среднее квадратическое отклонение величины от теоретического уровня l-го БЛ

На фиг. 22 и 23 приведены теоретический уровень первого БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15% иΔР=45% соответственно.

Как видно из анализа результатов, приведенных на фиг. 22 и 23, доверительные вероятности, полученные в ходе цифрового статистического моделирования, соответствуют доверительной вероятности

На фиг. 24 и 25 приведены теоретический уровень второго БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15% и ΔР=45% соответственно.

Как видно из анализа результатов, приведенных на фиг. 24 и 23, доверительные вероятности, полученные в ходе цифрового статистического моделирования, соответствуют доверительной вероятности

На фиг. 26 и 27 приведены теоретический уровень третьего БЛ и соответствующие доверительные границы, полученные в ходе цифрового статистического моделирования при заданном максимальном отклонении погрешностей измерений мощности ΔР=15% и ΔР=45% соответственно.

Как видно из анализа результатов, приведенных на фиг. 26 и 27, доверительные вероятности, полученные в ходе цифрового статистического моделирования, соответствуют доверительной вероятности

Доверительная вероятность рассчитывалась в ходе цифрового статистического моделирования по частоте как

где - N_П число событий выполнения условий

Анализ результатов моделирования, приведенных на фиг. 22-27, показывает, что полученные доверительные вероятности определения уровней БЛ составляют не менее 95%. Доверительные границы расширяются по мере их удаления от ГЛ ДНА, что объясняется ростом дисперсии измеренных значений мощности за счет относительного роста влияния внутренних шумов (абсолютный уровень внутренних шумов постоянен) по мере снижения уровня БЛ относительно ГЛ ДНА.

Анализ работоспособности предлагаемого способа измерения параметров ДНА методом облета по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о достижении технического результата изобретения.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа измерения параметров ДНА методом облета обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный сопоставительный анализ известных способов, технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных предметных областях позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию "новизны".

Результаты поиска известных решений в области радиолокации, радиотехники и антенных измерений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение является "промышленно приемлемым", поскольку предлагаемый способ может быть внедрен в существующих устройствах для измерения ДНА методом облета, а также использоваться в различных областях радиолокации, радиотехники и антенных измерений.

Изобретение относится к антенной технике и служит для измерения параметров диаграммы направленности антенны (ДНА) методом облета. Технический результат - автоматическое измерение направлений боковых лепестков (БЛ) и их уровней относительно главного лепестка (ГЛ) ДНА и расчет погрешности этих измерений за один облет. Результат достигается тем, что предложен способ измерения параметров ДНА методом облета, согласно которому на борту воздушного судна (ВС) формируют последовательность измерений мощности сигналов, принимаемых от исследуемой антенны, передают ее в бортовой вычислитель и записывают вместе с временем их приема и текущими координатами ВС в бортовой цифровой накопитель, после облета выборку измерений мощности фильтруют медианным фильтром, в фильтрованной последовательности отыскивают максимумы, один из которых соответствует ГЛ, а другие БЛ ДНА, в окрестности каждого максимума (внутри ГЛ и каждого БЛ ДНА) формируют выборки измерений мощности, сглаживают их методом наименьших квадратов, предварительно исключив аномальные измерения и оценив флуктуации измерений мощности на нормальность, получают полиномы, описывающие форму ГЛ и БЛ ДНА, определяют их направления, ширину ГЛ, а также уровни БЛ относительно ГЛ ДНА. 27 ил.

Способ измерения параметров диаграммы направленности антенны (ДНА) методом облета, заключающийся в том, что в наземном эталонном навигационном приемнике на основе принятых наземной навигационной антенной координат вычисляют дифференциальные поправки геодезических координат, которые через наземный телеметрический передатчик и наземную телеметрическую передающую антенну передают по эфиру на борт воздушного судна (ВС), совершающего облет исследуемой антенны в дальней зоне по предварительно определенному маршруту в секторе азимутальных углов, в центр которого соответствует априорно заданному направлению максимума неподвижной диаграммы направленности (ДН) исследуемой антенны, ко входу бортовой телеметрической приемной антенны и далее, через телеметрический приемник, передают на первый вход бортового навигационного приемника и используют для корректировки сигналов навигационной системы, принимаемых на борту ВС бортовой навигационной антенной, и передаваемых с ее выхода на второй вход бортового навигационного приемника, в бортовом вычислителе осуществляют пересчет геодезических координат, принятых от бортового навигационного приемника, в сферические координаты, которые вместе с временем их приема записывают в бортовой цифровой накопитель, а бортовой антенной, постоянная ориентация которой на исследуемую антенну обеспечивается гиростабилизированной платформой, осуществляют прием сигналов, излучаемых исследуемой антенной, ослабляют их аттенюатором, осуществляют их полосовую фильтрацию, оцифровывают в цифровом приемнике, передают в бортовой вычислитель и записывают вместе с временем их приема в бортовой цифровой накопитель, отличающийся тем, что после окончания облета последовательность измерений мощности где i=1…N, N- число измерений, хранящуюся в бортовом цифровом накопителе, фильтруют медианным фильтром с целью устранения быстрых флуктуаций, в фильтрованной последовательности отыскивают максимумы, из которых один является максимумом главного луча (ГЛ), а остальные - максимумами боковых лепестков (БЛ) ДН исследуемой антенны, вокруг каждого найденного максимума формируют угловой сектор, внутри которого фильтрованные значения измерений мощности меньше этого максимума не более чем на заданный порог Р_П, в каждом сформированном угловом секторе выбирают измерения мощности - число выборок измерений мощности в l-ом угловом секторе, осуществляют их сглаживание с получением по методу наименьших квадратов (МНК) полинома, описывающего модуль лепестка ГЛ или БЛ ДН исследуемой антенны, вида

где K - степень сглаживающего полинома; b_k - коэффициенты полинома, демодулируют и центрируют выборку измерений мощности в соответствии с выражением

где демодулированные измерения мощности в l-ом угловом секторе;

значение полинома при азимутальном угле

выборочное среднее значение демодулированных измерений мощности, определяют выборочную дисперсию центрированной выборки измерений как находят в выборке демодулированных и центрированных измерений мощности аномальные измерения, представляющие собой грубые ошибки, исключают из выборки измерений мощности те значения, которые соответствуют найденным аномальным измерениям, представляющим собой грубые ошибки, в демодулированной и центрированной выборке измерений мощности, а вместо исключенного значения в нее вводят скорректированное значение, равное среднему от предыдущего значения и последующего значения, затем вновь, как было описано выше, по МНК сглаживают скорректированную выборку измерений мощности получают сглаживающий полином, вновь получают, как описано выше, выборку демодулированных и центрированных измерений мощности проводят проверку выборки на принадлежность ее к нормальному закону распределения, отсутствие автокорреляции и тренда, и при отсутствии в выборке указанных недостатков определяют максимумы сглаживающих полиномов для каждого лепестка ДН исследуемой антенны как

определяют из этих максимумов главный максимум, соответствующий ГЛ ДН исследуемой антенны, как

рассчитывают левую границу и правую границу каждого лепестка ДН исследуемой антенны на уровне половинной мощности путем итерационного решения системы уравнений:

где - максимальное значение сглаживающего полинома в l-ом угловом секторе, определяют ширину ГЛ ДН исследуемой антенны по уровню половинной мощности (по уровню как

где l-й угловой сектор соответствует ГЛ, определяют угловое направление l -го углового сектора (БЛ или ГЛ ДН исследуемой антенны) как

определяют уровень l -го лепестка относительно ГЛ ДН исследуемой антенны как

рассчитывают (K+1)×(K+1) -мерную корреляционную матрицу погрешностей оценки коэффициентов полинома как

матрица Вандермонда, элементы которой представляют результат дифференцирования полинома по k-му коэффициенту;

-мерная корреляционная матрица погрешностей измерений мощности, определяют значение дисперсии погрешности оценки сглаженных измерений мощности как

где - элемент первой строки и первого столбца матрицы D - определитель матрицы В - алгебраическое дополнение элемента матрицы В определяют среднюю квадратическую погрешность измерения ширины ГЛ ДН исследуемой антенны на уровне мощности как

- оценка дисперсии погрешности измерения

левой границы l -го углового сектора ДН исследуемой антенны;

- оценка дисперсии погрешности измерения

правой границы l -го углового сектора ДН исследуемой антенны;

значение производной от функции которая является обратной от функции , в точке на левом краю l -го углового сектора ДН исследуемой антенны;

- значение производной от функции которая является обратной от функции в точке на правом краю l -го углового сектора ДН исследуемой антенны;

- производная от функциипо θ на правом краю l -го углового сектора ДН исследуемой антенны;

производная от функции по θ на левом краю l-го углового сектора ДН исследуемой антенны, определяют среднюю квадратичную погрешность измерения направления l-го углового сектора, представляющего собой лепесток, ДН исследуемой антенны как

определяют среднюю квадратическую погрешность измерения уровня l-го БЛ относительно уровня ГЛ ДН исследуемой антенны как

где определяют как элемент матрицы описанной выше, для углового сектора, соответствующего ГЛ ДН исследуемой антенны, записывают результаты полученных параметров ДН исследуемой антенны, а именно направление и ширину ее ГЛ с соответствующими погрешностями их определения, направления ее БЛ и их уровни относительно ГЛ с соответствующими погрешностями их определения, в бортовой цифровой накопитель, а в случае наличия в выборках демодулированных и центрированных измерений мощности аномальных измерений, представляющих собой грубые ошибки, более установленного количества, или невыполнения критерия принадлежности их к нормальному закону распределения, или наличия в них автокорреляции, или тренда результаты измерений отменяют как некорректные, проводят повторный пролет ВС по заданному маршруту и повторяют измерения, предварительно устранив причины некорректности измерений, полученных в предыдущем полете, причем степень полинома K определяют перед началом измерений путем последовательных уточнений, а именно последовательного повышения степени полинома, в ходе цифрового статистического моделирования измерений исследуемой ДН, прекращая уточнение, если величина среднего квадратического отклонения ширины ГЛ моделируемой ДН исследуемой антенны от ширины ГЛ теоретически рассчитанной ДН исследуемой антенны, полученная по N реализациям моделирования при степени сглаживающего полинома K+1, становится больше аналогично рассчитанной величины при степени сглаживающего полинома К, т.е. выполняется неравенство

где - ширина ГЛ теоретически рассчитанной ДНА по уровню половинной мощности, - ширина ГЛ ДНА по уровню 0,5 max полученная в i-й реализации, при степени сглаживающего полинома K, - ширина ГЛ ДНА по уровню 0,5 max полученная в i-й реализации, при степени сглаживающего полинома K+1.