Способ моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов Российский патент 2025 года по МПК G01S3/14 G01S3/74 G01S7/292 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах (ОП) систем радиомониторинга для решения задач пеленгования источников поляризованных радиосигналов.

Известны способы пеленгования источников радиосигналов, представленные, например, в [1-3], включающие прием радиоизлучений с помощью антенной системы (АС), состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерение для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд спектральных компонент преобразования Фурье принимаемых временных реализаций, выполнение обнаружения каждой спектральной компоненты и идентификации обнаруженных компонент про принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, формирование на основе измеренных комплексных амплитуд решающей функции пеленгования - углового спектра, являющегося функцией азимута и (или) угла места направления на ИРИ, максимизацию углового спектра и нахождение оценок азимута и (или) угла места направления на ИРИ как аргументов глобального максимума углового спектра.

Известны способы поляризационного пеленгования радиосигналов, представленные в [4-8], для определения азимутального и угломестного направления на источники радиосигналов. Способы основаны на измерении с помощью антенных систем ортогональных компонент векторов напряженности электрического и магнитного полей в дискретные моменты времени, определении ориентации векторов в пространстве, построении вспомогательных плоскостей, определении азимута и угла места на источник радиоизлучения, как углов ориентации линии пересечения вспомогательных плоскостей.

Перечисленные способы [1-8] обладают следующими недостатками:

1. Способы [1-3] разработаны применительно для случая пеленгования источников линейно поляризованных радиосигналов (в основном - сигналов с вертикальной поляризацией). Это следует из того, что набеги фаз принимаемых радиосигналов, используемые при формировании решающей функции пеленгования, рассчитаны для вертикально поляризованных радиосигналов. В случае приема радиосигналов произвольной поляризации применение указанных способов пеленгования может привести к снижению достоверности обнаружения (повышению вероятностей пропуска сигналов и ложной тревоги), а также снижению точности и достоверности пеленгования (увеличению дисперсии нормальной и вероятности аномальной ошибок пеленгования).

2. Дополнительным недостатком способов [1-3] является то, что процедура формирования углового спектра не предполагает выполнения накопления всех спектральных компонент обнаруженного сигнала, что не позволяет за счет накопления информации об амплитудах и фазах принимаемых сигналов, содержащейся в их спектральных компонентах, повысить точность и достоверность пеленгования.

3. Недостатком способов [4-6] является то, что они основаны на учете информации о поляризации сигнала за счет увеличения числа антенн на каждый пространственный канал пеленгатора и независимом измерении ортогональных компонент напряженности поля. Реализация таких способов предполагает кратное увеличение числа радиоприемных каналов с соответствующим неизбежным увеличением не только требуемых вычислительных ресурсов радиоэлектронной аппаратуры, но и массы, габаритных размеров, энергопотребления и стоимости.

4. Недостатками способов [7, 8] являются их ориентированность на однократный прием сигналов в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, (что не позволяет повысить точность и достоверность пеленгования за счет многократного накопления взаимных спектров сигнала), и отсутствие учета матрицы ковариации принимаемых в пространственных каналах коррелированных сигналов, (что не позволяет дополнительно повысить точность и достоверность пеленгования за счет декорреляции входных сигналов). Дополнительным недостатком способа [7] является необходимость применения ресурсоемкой и требующей дополнительного времени выполнения итерационной процедуры формирования и обработки взвешенного сигнала.

5. Дополнительным общим недостатком способов [4-8] является отсутствие процедуры учета результатов обнаружения спектральных компонент сигналов и их последующего отождествления по принадлежности к сигналу одного и того же источника радиоизлучения.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ повышения точности и достоверности пеленгования при накоплении спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения [9], принятый за прототип.

Способ-прототип включает следующие операции.

1. Когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

2. Синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных всеми входящими в N-элементную решетку антеннами в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей

, (1)

и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

, (2)

после чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами.

3. По каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i, вычисляют накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами и;

, (3)

используя которые определяют квадрат модуля решающей функции (двумерного углового спектра сигналов) по формуле

, (4)

где - диаграмма направленности n-й антенны;

m = 0...М-1 - текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 - текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н - число узлов по углу места;

- модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки,

и по максимумам решающей функции определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Недостатком прототипа является то, что он разработан применительно для случая пеленгования источников линейно поляризованных радиосигналов (в основном - сигналов с вертикальной поляризацией). В случае приема радиосигналов произвольной поляризации применение способа может привести к снижению достоверности обнаружения (повышению вероятностей пропуска сигналов и ложной тревоги), а также снижению точности и достоверности пеленгования (увеличению дисперсии нормальной и вероятности аномальной ошибок пеленгования).

Дополнительными недостатками прототипа являются так же:

1. Способ основан на использовании «опорной антенны», вследствие чего (как справедливо отмечено в [3]) не учитывается, что взаимный спектр сигнала в каналах приема необходимо определять для всех возможных комбинаций пар антенн. Наличие опорного канала может приводить к ухудшению точности и достоверности пеленгования в зависимости от того, какой из каналов антенной системы выбран опорным, что в реальных условиях функционирования ОП при их размещении на носителях различных типов обусловлено наличием эффекта «затенения» опорного канала в зависимости от его взаимного расположения относительно остальных антенн АС, а также объектов, расположенных в непосредственной близости к АС (например, мачтового устройства).

2. Способ предполагает вычисление реальной части двумерного комплексного углового спектра сигналов, что противоречит результатам решения задачи пеленгования в рамках теории статистической радиотехники. Максимум модуля углового спектра характеризует наибольший по амплитуде отклик сфазированной многоканальной АС в направлении на ИРИ, при этом фазирование обеспечивается лишь при вычислении модуля углового спектра. Кроме того, выражение для двумерного углового спектра предполагает вычисление суммы произведений, измеренных канальных комплексных амплитуд сигналов на парциальные диаграммы направленности и модельные фазирующие функции антенн. Однако по результатам вычисления данной суммы не выполняется ее нормирование на квадратный корень из суммы квадратов модулей парциальных диаграмм направленностей антенн, что также противоречит результатам решения задачи пеленгования в рамках теории статистической радиотехники.

Обозначенные недостатки существенным образом ограничивают область применения перечисленных способов (аналогов и прототипа) и определяют нецелесообразность их использования в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга при решении задачи моноимпульсного пеленгования источников радиосигналов с произвольной (в общем случае, не вертикальной) поляризацией.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и достоверности моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов, обеспечиваемое за счет совместного учета характеристик направленности антенной системы обнаружителя-пеленгатора по каждой из ортогональных компонент (по горизонтальной и вертикальной компоненте) вектора напряженности электрического поля.

Для решения поставленной задачи в способе моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов, включающем когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму; синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных всеми входящими в N - элементную решетку антеннами в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей , и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

;

вычисление модуля данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнение его значения с фиксированным порогом корреляции, объединение сигналов с частотами, на которых превышен порог, в i-й сигнал и идентифицирование его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами; вычисление по каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i, накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами n и p по формуле

,

определение квадрата модуля решающей функции (двумерного углового спектра) , определение по максимумам решающей функции пеленгования азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема, согласно изобретению, определяют решающую функцию пеленгования, учитывающую характеристики направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля поляризованного радиосигнала, по формуле

,

где

- матрица размера N x N;

- матрица размера 2 x 2;

- матрица размера N x 2;

и - векторная комплексная диаграмма направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля соответственно;

- оператор вычисления обратной матрице;

- оператор эрмитова сопряжения матрицы;

m = 0...М-1 - текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 - текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н - число узлов по углу места.

В качестве характеристики направленности антенной системы будем рассматривать ее векторную комплексную диаграмму направленности (ВКДН), широко используемую в современных научных работах, например, в [10], по вертикальной () и горизонтальной () компонентам вектора напряженности электрического поля, где f - частота радиоволны, α и β - азимут и угол места направления прихода радиоволны соответственно. Для конкретных структур антенных систем данная характеристика может быть получена как по результатам электродинамического моделирования характеристик антенной системы, так и по результатам их экспериментальных измерений.

Предлагаемый способ пеленгования источников поляризованных радиосигналов предполагает выполнение следующих операций.

1. Когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

2. Синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных всеми входящими в N-элементную решетку антеннами в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей

,

и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

,

после чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами.

3. По каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i, вычисляют накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами и;

,

используя которые определяют квадрат модуля решающей функции (двумерного углового спектра), учитывающего характеристики направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля поляризованного радиосигнала, по формуле

, (5)

где

- матрица размера N x N;

- матрица размера 2 x 2;

- матрица размера N x 2;

и - векторная комплексная диаграмма направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля соответственно;

- оператор вычисления обратной матрице;

- оператор эрмитова сопряжения матрицы;

m = 0...М-1 - текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 - текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н число узлов по углу места,

и по максимумам решающей функции определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Предлагаемый способ лишен выше перечисленных недостатков аналогов и прототипа за счет накопления взаимных энергий спектральных компонент сигнала, инвариантных как к начальным фазам образующих сигнал спектральных компонент, так и к поляризации принимаемой радиоволны (и, соответственно, радиосигнала) ввиду вычисления взаимных и канальных энергий по каждой компоненте. Так как фаза взаимных энергий зависит от поляризации радиоволны и направления ее прихода, то суммирование взаимных энергий для отсчетов сигнала одного и того же ИРИ обеспечивает синфазное сложение сигнальных составляющих и повышение результирующего отношения сигнал/шум (ОСШ).

Технический результат способа обеспечивается тем, что при формировании решающей функции пеленгования используется совместный учет характеристик направленности антенной системы обнаружителя-пеленгатора по каждой из ортогональных компонент (по горизонтальной и вертикальной компоненте) вектора напряженности электрического поля.

Блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 - многоканальная антенная система;

2 - многоканальное радиоприемное устройство;

3 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

4 - многопроцессорный вычислитель.

Устройство содержит многоканальную антенную систему 1, состоящую из n=1...N антенных элементов, объединенных в антенную решетку. Каждый элемент (антенна) решетки соединен с соответствующим входом многоканального радиоприемного устройства 2, N выходов которого соединены с соответствующими входами многоканального АЦП 3, N выходов которого соединены с соответствующими входами многопроцессорного вычислителя 4, N выходов которого являются выходами устройства. Многоканальное радиоприемное устройство 2 выполнено с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов. Широкая полоса пропускания каналов радиоприемного устройства 2 необходима для одновременной многочастотной регистрации сигналов многих передатчиков. Многопроцессорный вычислитель 4 обеспечивает параллельную обработку многочастотных сигналов, принимаемых всеми N антеннами решетки.

Устройство работает следующим способом.

Многочастотные временные сигналы с N-выходов антенной системы (n=1…N), поступают на входы многоканального радиоприемного устройства 2, где в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одночастотного сигнала передатчика, когерентно переносятся на более низкую частоту. С помощью аналого-цифровой преобразователя (АЦП) 3 сигналы синхронно преобразуются в цифровые сигналы , где - n - номер антенного элемента, а z - номер временного отсчета сигнала, и синхронно регистрируются в многопроцессорном вычислителе 4.

В вычислителе 4 выполняются следующие действия:

- восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров сигналов каждой n-й антенны;

- формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей по формуле (1) и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле (2)

- вычисление накопленных по спектральным отсчетам сигнала взаимных энергий по формуле (3), используя которые определяют квадрат модуля двумерного углового спектра сигналов по формуле (5) и по максимумам определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Результаты моделирования способа моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов.

Рассмотрим случай пеленгования с помощью ОП с «невзаимодействующей» семиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решеткой (ЭКАР) из идентичных антенн, имеющих всенаправленную диаграмму в азимутальной плоскости по вертикальной компоненте электрического поля и направленную вида по горизонтальной компоненте. Моделировалось падение плоской радиоволны с круговой поляризацией с направления 180° градусов по азимуту и 0° градусов по углу места на частоте, соответствующей отношению радиуса ЭКАР к длине волны = 1. Число спектральных отсчетов сигнала полагалось равным 5, уровень сигнала в каждой компоненте одинаков. Аддитивный шум предполагался гауссовским с нулевым средним, диагональной матрицей ковариации и одинаковой (для всех спектральных компонент сигнала и для всех пространственных каналов обнаружителя-пеленгатора) интенсивностью. Пеленг вычислялся в результате глобальной максимизации функции (5), накопление спектральных компонент выполнялось по формуле (3). ОСШ для каждого спектрального отсчета 7 дБ. Число статистических испытаний 10⁵.

На фиг. 2 представлены гистограммы пеленгов, полученные по результатам статистического моделирования. Фиг. 2а соответствует результатам пеленгования только по вертикальной компоненте электрического поля в соответствии со способом-прототипом, Фиг. 2б - результатам пеленгования по вертикальной и горизонтальной компоненте электрического поля в соответствии с предлагаемым способом.

Результаты моделирования подтвердили, что совместный учет горизонтальной и вертикальной компонент электрического поля радиоволны с круговой поляризацией, реализуемый предлагаемым способом, обеспечивает повышение точности и достоверности пеленгования источников поляризованных радиосигналов, что проявляется в снижении дисперсии нормальной и вероятности аномальной ошибок пеленгования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уфаев В.А. Обнаружение и идентификация сигналов в панорамных фазометрических радиопеленгаторах // Антенны, 2008 г. № 5.

2. Патент РФ №2236021 «Способ идентификации радиоизлучений» / Уфаев В.А., 2002.

3. Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. - Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31

4. Патент РФ №2702102 «Способ поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием триортогональной антенной системы» / Богдановский С.В., Ледовская К.Г., Севидов В.В., Симонов А.Н., 2018.

5. Патент РФ №2431862 «Способ поляризационно-независимого пеленгования многолучевых радиосигналов» / Пархоменко Н.Г., Иванов Н.М., Шевченко В.Н., 2010.

6. Патент РФ №2713866 «Способ поляризационного пеленгования радиосигналов с использованием триортогональной антенной системы» / Богдановский С.В., Ледовская К.Г., Севидов В.В., Симонов А.Н., Григорьев В.В., 2019.

7. Патент РФ №2624449 «Способ поляризационного пеленгования радиосигналов» / Богдановский С.В., Волков Р.В., Севидов В.В., Симонов А.Н., 2016.

8. Патент РФ №2431862 «Способ поляризационно-чувствительного пеленгования радиосигналов (варианты)» / Шевченко В.Н., Иванов Н.М., Шевченко Е.А., 2010.

9. Патенту РФ №2190236 «Способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения» / Шевченко В.Н., Емельянов Г.С., Вертоградов Г.Г., 2000.

10. Артёмов М. Л., Борисов В.И., Маковий В.А., Сличенко М.П. Автоматизированные системы управления, радиосвязи и радиоэлектронной борьбы. Основы теории и принципы построения / Под. ред. М.Л. Артёмова. М.: Радиотехника. 2021. 556 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач пеленгования источников поляризованных радиосигналов. Технический результат состоит в повышении точности и достоверности моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов. Для этого в заявленном способе определяют решающую функцию пеленгования, учитывающую накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов и характеристики направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля поляризованного радиосигнала. 2 ил.

Способ моноимпульсного пеленгования источников поляризованных радиосигналов, включающий когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных всеми входящими в N-элементную решетку антеннами в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей , и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

;

вычисление модуля данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнение его значения с фиксированным порогом корреляции, объединение сигналов с частотами, на которых превышен порог, в i-й сигнал и идентифицирование его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот , образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами; вычисление по каждому i-му сигналу в полосе частот накопленных по спектральным отсчетам сигнала взаимных энергий между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами n и p по формуле

,

определение квадрата модуля решающей функции (двумерного углового спектра) , определение по максимумам решающей функции пеленгования азимутальных и угломестных пеленгов i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема, отличающийся тем, что определяют решающую функцию пеленгования, учитывающую характеристики направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля поляризованного радиосигнала, по формуле

,

где

– матрица размера N × N;

– матрица размера 2 × 2;

– матрица размера N × 2;

и - векторная комплексная диаграмма направленности антенной системы по вертикальной и горизонтальной компонентам электрического поля соответственно;

– оператор вычисления обратной матрицы;

– оператор эрмитова сопряжения матрицы;

m = 0…М-1 – текущий номер узла сетки по азимуту;

М – число узлов по азимуту;

h = 0…Н-1 – текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н – число узлов по углу места.