Способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами

Изобретение относится к области пеленгации и может быть использовано для пеленгации и измерения углов места как в условиях двухлучевого сигнала, так и при приеме однолучевого сигнала. Техническим результатом является разработка способа раздельного измерения азимута и угла места для каждого луча при приеме двухлучевого сигнала, исключающего интерференционные ошибки. Способ пеленгации с учетом корреляционных взаимосвязей между лучами включает прием сигнала с помощью антенной системы, преобразование по частоте и усиление сигналов от каждого вибратора с помощью многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов в каждом канале в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя, определение амплитуды и фазы сигнала в каждом канале, формирование совместной для двух лучей диаграммы направленности с учетом коэффициента корреляции между лучами, сканирование диаграммой направленности в пространстве азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂ в заданных интервалах и с заданным шагом и определение азимута и угла места каждого луча по максимуму совместной диаграммы направленности. 5 ил.

 

Изобретение относится к области пеленгации и может быть использовано для пеленгации и измерения углов места как в условиях двухлучевого радиосигнала, так и при приеме однолучевого радиосигнала. При пеленгации часто возникают условия, когда в точку приема приходит не один луч, а два, например, при приеме ионосферных сигналов. В этих условиях известные способы пеленгации оказываются неработоспособными. За счет интерференции между лучами возникают интерференционные ошибки, а при разности фаз между лучами около 180° отмечаются ложные пеленги. В этих случаях главные максимумы диаграмм направленности двух лучей взаимно сильно ослабляются и пеленг определяется по максимальному боковому лепестку и может значительно, на десятки градусов, отличаться от направления прихода радиосигнала.

Известны фазовые способы пеленгации, основанные на измерениях разности фаз между вибраторами антенной системы и оценке по этим измерениям азимутов и углов места [Заявка РФ №2003108306 от 25.03.2003 г., G01S 3/14, опубл. 10.10.2004 г, БИПМ №28; заявка РФ №2003115773 от 27.05.2003 г., G01S 3/14, 3/28, 3/74, опубл. 20.11.2004 г., БИПМ №32; заявка РФ №2002115220 от 06.06.2002 г., G01S 3/46, опубл. 10.02.2004 г., БИПМ №4; заявка РФ №2001133081 от 07.05.2001 г., G01S 3/46, опубл. 20.05.2003 г., БИПМ №14; заявка РФ №2001135647 от 18.12.2001 г., G01S 3/46, опубл. 10.07.2003 г., БИПМ №19]. Недостатком фазовых методов пеленгации является использование только фазовой информации. Это требует для однозначности малого, по сравнению с длиной волны А,, пространственного разнесения вибраторов (где - радиус-вектор), что увеличивает количество вибраторов при фиксированной апертуре антенной системы и не обеспечивает широкого частотного диапазона (2-30 МГц). При приеме двухлучевого радиосигнала вследствие искажения фронта волны, фазовые способы пеленгации дают интерференционные ошибки и являются неустойчивыми. При разности фаз между лучами около 180° они дают отклонения пеленга на десятки градусов (ложные пеленги).

Наиболее близкими к предлагаемому способу пеленгации по совокупности действий являются способы, использующие диаграмму направленности [Заявка РФ №2001124307 от 30.08.2001 г., G01S 3/14, опубл. 10.07.2003 г., БИПМ №19; патент РФ №2225990, G01S 3/14, опубл. 19.03.2004 г., БИПМ №8; патент РФ №2201599, G01S 3/14, 3/74, опубл. 27.03. 2003 г., БИПМ №9; патент РФ №2158002, G01S 3/14, 5/04, опубл. 20.10.2000 г., БИПМ №29]. Оценка азимута и угла места производится по максимальному значению диаграммы направленности при сканировании по азимуту и углу места. Диаграмма направленности в этом случае создается за счет различных способов фазирования отдельных вибраторов антенной системы. Наилучшим образом это реализуется при использовании пространственного преобразования Фурье, в результате которого создается двухмерный комплексный угловой спектр (диаграмма направленности антенной системы) [Патент РФ №2096797, G01S 3/14, 3/74, опубл. 20.11.0997 г., БИПМ №32; патент РФ №2144200, G01S 3/14, 3/74, опубл. 10.01.2000 г., БИПМ №1; патент РФ №2150122, G01S 3/14, 5/04, опубл. 27.05.2000 г., БИПМ №15; патент РФ №2201599, G01S 3/14, 3/74, опубл. 27.03.2003 г., БИПМ №9]. Диаграмма направленности в этом случае формируется по выражению (комплексный вид)

где - комплексная амплитуда (E_n - амплитуда, Ψ_n- фаза) в n-точке пространства, определяемой радиус-вектором,

- волновой вектор, который определяется азимутом α и углом места β.

Квадрат модуля нормированной диаграммы направленности (расчетная форма) определяется выражением

где черта сверху означает усреднение (суммирование) по индексу «n».

Пространственной базой является радиус антенной системы R.

Недостатком этих способов, связанных с пространственным преобразованием Фурье, является наличие интерференционных ошибок при приеме двухлучевого сигнала и неустойчивость решения при разности фаз между лучами около 180° вследствие интерференционного подавления главного лепестка диаграммы направленности.

Известны амплитудные методы пеленгации, отличающиеся способом определения комплексных амплитуд. В них фаза на n-вибраторе определяется по отношению к фазе на опорном вибраторе Ψ_n-Ψ₀ [Заявка №2002130112 от 10.11.2002 г., G01S 3/14, опубл. 10.05.2004 г., БИПМ №13; патент РФ №2096797, G01S 3/14, 3/74, опубл. 20.11.1997 г., БИПМ №32; патент РФ №2144200, G01S 3/14, 3/74, опубл. 10.01.2000 г., БИПМ №1; патент РФ №2201599, G01S 3/14, 3/74, опубл. 27.03.2003 г., БИПМ №9]. Вследствие большой базы антенной системы и в этом случае в условиях приема двухлучевого радиосигнала пеленг неустойчив. Согласно этим способам последовательность действий следующая [прототип - патент РФ №2144200, G 01 S 3/14, 3/74, опубл. 10.01.2000 г., БИПМ №1].

1. Принимают сигналы антенной системой, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R.

2. Преобразуют по частоте и усиливают сигналы с помощью многоканального приемника.

3. Преобразуют аналоговый сигнал в каждом канале в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

4. Определяют амплитуды Е_n и фазы Ψ_n сигнала в каждом канале с помощью временного преобразования Фурье.

5. Формируют диаграмму направленности согласно выражению (2) с направления α, β.

6. Изменяют диаграмму направленности по азимуту α и углу места β в азимутальном и угломестном секторе углов с запоминанием амплитуды U1(α, β).

7. Определяют по максимальному значению U1(α, β) при сканировании азимут α₀ и угол места β₀ радиосигнала.

Недостатком является то, что в условиях приема двухлучевого радиосигнала возникают интерференционные ошибки и основной лепесток диаграммы направленности может существенно ослабляться за счет интерференции лучей. В результате боковые лепестки диаграммы направленности оказываются больше основного и угловые характеристики определяются по угловому положению максимального бокового лепестка. Это приводит к отклонению азимута на десятки градусов.

Целью данного изобретения (технический результат) является разработка способа раздельного измерения значений азимута и угла места для каждого луча, исключающего интерференционные ошибки, в частности ложные пеленги при разности фаз между лучами около 180° при приеме двухлучевого радиосигнала, возникающие при коэффициенте корреляции между лучами, отличном от нуля, и измерении значений азимута и угла места при приеме однолучевого радиосигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе пеленгации с учетом корреляционных взаимосвязей между лучами, включающем прием сигнала с помощью антенной системы, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R (фиг.1), преобразование по частоте и усиление сигналов от каждого вибратора с помощью многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов в каждом канале в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя, определение амплитуды и фазы сигнала в каждом канале, формирование диаграммы направленности, сканирование диаграммой направленности по азимуту и углу места, определение азимута и угла места на излучатель по максимуму диаграммы направленности, согласно изобретению формируется совместная для двух лучей диаграмма направленности с учетом коэффициента корреляции взаимосвязей между лучами по формуле

где

- комплексная амплитуда сигнала, измеренная на n-вибраторе,

- радиус-вектор, определяющий местоположение n-вибратора,

- волновые вектора, зависящие от азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂.

- определяет коэффициент корреляции между лучами, черта сверху означает суммирование по индексу n,

знак * - означает комплексное сопряжение,

знак ^ - означает комплексную величину,

Сканирование диаграммой направленности производится в пространстве азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂ в заданных интервалах и с заданным шагом.

Азимут и угол места каждого луча определяется по максимуму совместной диаграммы направленности (α₁, β₁, α₂, β₂).

В случае приема однолучевого сигнала первое решение (α₁, β₁, ) будет определять параметры луча, а второе решение (α₂, β₂, ) будет связано с шумовым максимумом, амплитуда которого становится близкой к нулевому значению. Это позволяет исключить второе решение в случае приема только одного луча и автоматически определять ранг поля (однолучевое, двухлучевое).

Радиус антенной системы определится из условия

а количество вибраторов определится неравенством

где N1 - количество неизвестных параметров в двухлучевом сигнале (амплитуда, начальная фаза, азимут, угол места для каждого луча, N1=8).

На фиг.2 представлена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ. Согласно предлагаемому способу пеленгации последовательность действий следующая.

1. Принимают сигналы круговой антенной системой, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R (Блок 1).

2. Преобразуют по частоте и усиливают сигналы в каждом канале с помощью многоканального приемника (Блок 2).

3. Преобразуют аналоговый сигнал в каждом канале в цифровую форму с помощью многоканального, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (Блок 3).

4. Определяют амплитуды E_n и фазы Ψ_n сигнала в каждом канале, например, с помощью временного преобразования Фурье (Блок 4).

5. Задают точку в пространстве азимутов и углов места (Блок 5) параметрами α₁, β₁, α₂, β₂ которые переводятся в волновые вектора .

6. Вычисляют согласно (3) переменные и по выборке данных , и волновым векторам (Блок 6).

7. Определяют согласно (3) диаграмму направленности (α₁, β₁, α₂, β₂) в точке α₁, β₁, α₂, β₂ и запоминают ее значение и значения переменных (Блок 7).

8. Повторяют действия 5, 6, 7 с другими значениями параметров α₁, β₁, α₂, β₂ из области их определения, определяя все точки диаграммы направленности.

9. Определяют максимальное значение диаграммы направленности и фиксируют параметры α₀₁, β₀₁, α₀₂, β₀₂, а также (Блок 8).

Определяют ранг поля (однолучевое или двухлучевое) по условию U₀₁/U₀₂>3 (Блок 9).

Таким образом, в случае приема однолучевого радиосигнала способ пеленгации обеспечивает решение α₀₁, β₀₁, a случае приема двухлучевого радиосигнала - решение α₀₁, β₀₁, α₀₂, β₀₂.

Обоснованием данного способа пеленгации является следующее.

Запишем двухлучевой радиосигнал в виде двух плоских волн в комплексной форме

где - комплексная амплитуда сигнала, измеренная на n-вибраторе,

- радиус-вектор, определяющий местоположение n-вибратора,

- волновые вектора, зависящие от азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂

- шумовая составляющая на n-вибраторе.

Запишем функционал

Он представляет собой поверхность в пространстве азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂, минимум этой поверхности определяет решение, т.е. азимуты и углы места двух лучей α₀₁, β₀₁, α₀₂, β₀₂. Для нахождения минимума поверхности функционала используется метод перебора по переменным α₁, β₁, α₂, β₂ и метод наименьших квадратов по переменным Метод наименьших квадратов дает систему уравнений для одной точки функционала α₁, β₁, α₂, β₂

Черта сверху означает суммирование по индексу n.

Система уравнений (8) дает решения для из выражений (3)

При возведении в квадрат (7) и нормировании получим значение функционала в точке

Диаграмма направленности определится выражением (3)

Максимальное значение диаграммы направленности в пространстве азимутов α₁, α₂, и углов β₁, β₂ места определяет решение α₀₁, β₀₁, α₀₂, β₀₂.

Реализуемость данного способа пеленгации иллюстрируется результатами модельных расчетов. На фиг.3 показаны зависимости азимутов двух лучей (ряд 1 и ряд 2), полученных с помощью модельных расчетов в соответствии с предлагаемым способом пеленгации с учетом корреляционных взаимосвязей между лучами. На этом же графике показана зависимость азимута от разности фаз (ряд 3), полученная амплитудно-фазовым способом пеленгации по слитному лучу (классический способ пеленгации). В модельных расчетах принято следующее: диаметр антенной системы 130 м, рабочая частота 10 МГц, отношение сигнал/шум на вибраторах 20 дБ, количество вибраторов 16, азимуты лучей 78° и 72°. Из сравнения зависимостей ясно, что способ пеленгации с выделением лучевой структуры дает небольшие дисперсии азимутов лучей. В то же время амплитудно-фазовый метод пеленгации дает значительные отклонения азимута в области разности фаз 180°. На фиг.4 показано аналогичное построение для углов места (5° и 25°). Ряд 1 и ряд 2 показывают полученные с помощью модельных расчетов углы места предлагаемым способом пеленгации, а ряд 3 показывает зависимость угла места от разности фаз, полученного классическим амплитудно-фазовым методом. На фиг.5 показана частотная зависимость углов места двух лучей 10° и 30° (ряд 2 и ряд 3), полученных предлагаемым способом и зависимость угла места, полученная классическим способом (ряд 1). При модельных расчетах разность фаз принята 30°, а амплитуда второго луча менялась случайным образом от нуля до амплитуды первого луча. Сравнение иллюстрирует преимущество по точности способа пеленгации с учетом корреляционных взаимосвязей между лучами. Лишь в нижней части частотного диапазона дисперсия луча с углом места 10° становится достаточно большой. Это обусловлено коэффициентом корреляции между лучами приблизительно 0,95.

Таким образом, модельные расчеты показывают возможность нового способа пеленгации в условиях приема двухлучевого радиосигнала при учете корреляционных взаимосвязей между лучами.

Способ пеленгации с учетом корреляционных взаимосвязей между лучами, включающий прием сигнала с помощью антенной системы, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R, преобразование по частоте и усиление сигналов от каждого вибратора с помощью многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов в каждом канале в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя, определение амплитуды и фазы сигнала в каждом канале, формирование диаграммы направленности, сканирование диаграммой направленности по азимуту и углу места, определение азимута и угла места на излучатель по максимуму диаграммы направленности, отличающийся тем, что формируется совместная для двух лучей диаграмма направленности с учетом коэффициента корреляции между лучами по формуле

где

- комплексная амплитуда сигнала, измеренная на n-вибраторе,

- радиус-вектор, определяющий местоположение n-вибратора,

- волновые вектора, зависящие от азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂,

- определяет коэффициент корреляции между лучами, черта сверху означает суммирование по индексу n,

знак * - означает комплексное сопряжение,

знак ^ - означает комплексную величину,

сканирование диаграммой направленности производится в четырехмерном пространстве азимутов α₁, α₂ и углов места β₁, β₂ в заданных интервалах и с заданным шагом, азимут и угол места каждого луча определяется по глобальному максимуму совместной диаграммы направленности (α₁, β₁, α₂, β₂), при этом в случае приема однолучевого сигнала первое решение (α₁, β₁, ) будет определять параметры луча, а второе решение (α₂, β₂, ) будет связано с шумовым максимумом, амплитуда которого становится близкой к нулевому значению, а это позволяет исключить второе решение в случае приема одного луча и автоматически определять ранг поля (однолучевое, двухлучевое), радиус антенной системы определится из условия

а количество вибраторов определится неравенством

где N1 - количество неизвестных параметров в двухлучевом сигнале (амплитуда, начальная фаза, азимут, угол места для каждого луча, N1=8).