Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона



Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона
Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона

 


Владельцы патента RU 2527943:

Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный Научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при пеленгации источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (KB) диапазона. Достигаемый технический результат изобретения - повышение быстродействия обработки сигналов ИРИ KB диапазона, находящихся в трехмерном пространстве, при многоканальной фазовой пеленгации. Указанный результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве осуществляют частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР, затем на частоте ИРИ оценивают фазу сигнала в геометрическом центре АР, на каждом элементе АР определяют фазу сигнала относительно фазы в геометрическом центре АР, формируют матрицу координат и матрицу направленности АР, определяют сферическую поверхность нахождения вектора прихода плоской волны, находят вспомогательный вектор, определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, строят семейство подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром, определяют точку касания эллипсоида из построенного семейства с сферической поверхностью, после чего находят вектор прихода сигнала и соответствующие ему азимут и угол места. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при пеленгации источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (KB) -диапазона, в частности при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ с применением многоэлементных антенных решеток (АР).

В KB -диапазоне широко применяются средства пеленгования и местоопределения ИРИ из одной точки с использованием многоэлементных АР [1], в том числе с кольцевыми АР [2].

Обработка принятых сигналов при пеленговании ИРИ позволяет реализовать предельные возможности пеленгационных систем по точности, дальности и быстродействию.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2096797 [3].

В ходе обработки принятые сигналы селектируют по частоте и поканально сравнивают спектральные характеристики. По результатам сравнения судят о значении пеленга.

Недостатками известного способа обработки сигналов являются ограниченное быстродействие при априорно неизвестном районе действия ИРИ и низкая точность. Это объясняется необходимостью применения при обработке сигналов многократного сканирования диаграммы направленности АР и проведения двумерных итераций.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2210088 [4].

В ходе обработки последовательно выполняют операции упорядочивания, уплотнения, усиления, частотной селекции и демодулирования, разуплотнения, вычисления угла прихода квазигармонического сигнала по значению арктангенса от отношения U2/U1, где в качестве управляющих сигналов fi(t) используют упорядоченную пару сигналов из множества упорядоченных пар ортогональных сигналов.

Способ позволяет существенно повысить точность пеленгования по сравнению с первым аналогом. Недостатком способа является ограниченное быстродействие, вызванное необходимостью выполнения процедур сканирования и двумерных итераций. Это связано с подбором соответствующих пар, обладающих одновременно взаимной частотной ортогональностью между компонентами с разными частотами и взаимной фазовой ортогональностью между компонентами с одинаковыми частотами. Кроме того, известный способ применим к ИРИ с квазигармоническими сигналами и для его реализации требует использования радиоприемного устройства частотно-модулированных сигналов. Это ограничивает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, сущность которого описана в патенте RU №2432580 [5] (прототип).

Способ включает частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР в ходе определения пеленга. Линию пеленга находят в плоскости пеленгационной антенны, а по результатам весовой обработки формируют вспомогательную плоскость, ортогональную плоскости пеленгационной антенны и проходящую через полученную линию пеленга. Способ позволяет повысить быстродействие и существенно увеличить точность пеленгования при дислокации ИРИ на земной поверхности.

Однако при дислокации ИРИ в трехмерном пространстве и использовании объемных АР быстродействие пеленгования ИРИ KB-диапазона недостаточно. Это проявляется наиболее заметно при использовании мобильных пеленгаторов, кратковременной работе ИРИ и размещении ИРИ на подвижных летательных аппаратах (самолеты, радиозонды и т.п.). Компенсация возникающих ошибок пеленгования требует в ходе обработки проведения процедур сканирования и двумерных итераций, что во многих случаях становится проблематичным.

Целью изобретения является повышение быстродействия обработки сигналов ИРИ KB-диапазона, находящихся в трехмерном пространстве, при многоканальной фазовой пеленгации.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известный способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ПРИ KB-диапазона, включающий частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР, введены операции, в ходе которых на частоте ИРИ оценивают фазу сигнала в геометрическом центре АР, на каждом элементе АР определяют фазу сигнала относительно фазы в геометрическом центре АР, формируют матрицу координат и матрицу направленности АР, определяют сферическую поверхность нахождения вектора прихода плоской волны, находят вспомогательный вектор, определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, строят семейство подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром, определяют точку касания эллипсоида из построенного семейства с сферической поверхностью, после чего находят вектор прихода сигнала и соответствующие ему азимут и угол места.

Предлагаемый способ обработки сигналов эа счет введения новых операций не требует процедур сканирования и двумерных итераций, что и позволяет повысить быстродействие при пеленговании ИРИ KB-диапазона при их размещении над земной поверхностью в трехмерном пространстве.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона из патентных источников не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона;

на фиг.2 - процесс векторного построения в ходе обработки сигналов ИРИ KB-диапазона.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона содержит N радиоприемников 1, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля 2, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока 3 опорного генератора. Выход фазометрического модуля 2 через модуль 4 формирования матриц элементов АР соединен с первым входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, через модуль 6 определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль 7 определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников 1 являются входами сигнала ИРИ, а дополнительный вход модуля 4 формирования матриц элементов АР является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона.

Способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона реализуется следующим образом.

При обработке сигналов в ходе пеленгования ИРИ в трехмерном пространстве известным способом приходится производить процедуры сканирования и двухмерных итераций, в том числе:

- выбирать шаг двумерной сетки по углам прихода сигнала в и ft (азимут и угол места), причем достаточно малый для исключения пропуска окрестности глобального минимума функционала невязки;

- для каждой точки сетки производить расчет функционала невязки;

- выбирать точку сетки с минимальным значением функционала невязки в качестве начального приближения для итераций;

- выполнять итерационный поиск минимума функционала невязки в окрестности выбранной точки, пока уточнение углов азимута и места ИРИ на очередном шаге не станет меньше допустимой погрешности.

Приведенные процедуры требуют значительного времени обработки сигнала ИРИ и при кратковременности излучения, а также быстрого перемещения обеспечение пеленгования с необходимой точностью становится проблематичным.

При обработке предлагаемым способом сигнал ИРИ поступает на вход каждого радиоприемника 1 в канале элемента АР устройства (фиг.1). Блок 3 опорного генератора - общий для всех радиоприемников 1, каждый из которых обеспечивает частотную селекцию принятого сигнала ИРИ.

С выходов каждого радиоприемника 1 сигнал подается на вход фазометрического модуля 2, в каналах которого сигнал детектируется по фазе. Результирующие сигналы через сигнальную шину поступают на вход модуля 4 формирования матриц элементов АР.

Модуль 4 осуществляет оценку фазы сигнала в геометрическом центре АР:

ϕ 0 = 1 N i = 1 N ϕ i ' ( 1 )

где - N- количество антенных элементов;

ϕ 1 ' , ϕ 2 ' , , ϕ N ' - измеренные фазы на элементах АР,

и формирует матрицу координат и матрицу направленности АР.

Фазы сигнала на элементах АР относительно фазы в центре АР:

ϕ = ( ϕ 1 ϕ 2 ϕ N ) = ( ϕ 1 ' ϕ 0 ϕ 2 ' ϕ 0 ϕ N ' ϕ 0 ) , ( 2 )

Координаты элементов АР вводятся в модуль 4 через дополнительный вход устройства обработки.

Матрица координат элементов АР:

A = ( x 1 y 1 z 1 x 2 y 2 z 2 x N y N z N ) , ( 3 )

где - xi, yi, zi - декартовые координаты i-го элемента АР, причем

i = 1 N x i = i = 1 N y i = i = 1 N z i = 0 .

Матрица направленности АР:

B = A T A = ( i = 1 N x i 2 i = 1 N x i y i i = 1 N x i z i i = 1 N x i y i i = 1 N y i 2 i = 1 N y i z i i = 1 N x i y i i = 1 N y i z i i = 1 N z i 2 ) ( 4 )

- симметричная неотрицательно определенная матрица размера 3×3,

где Т - символ транспонирования.

С выхода модуля 4 формирования матриц элементов АР информация подается на вход модуля 6 определения векторов сигнала, на вход модуля 7 определения дисперсии ошибок и непосредственно - на первый вход модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

С помощью модуля 6 определяется сферическая поверхность нахождения трехмерного волнового вектора k с центром в начале координат

k T k = ( 2 π λ ) 2 , ( 5 )

где - λ - длина волны в метрах, λ=300/F;

F - частота сигнала в МГц,

С помощью модуля 7 находится вспомогательный вектор k ^ , определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, после чего осуществляется построение семейства подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром.

Вспомогательный вектор

k ^ = arg min k Φ ( k ) = B 1 A T ϕ , ( 6 )

позволяет обеспечить безусловный минимум квадратичному функционалу Ф(k) невязки фазовых измерений Ф(k)=(Ak-φ)T(Ak-φ). После перемножения и дополнения до «полного квадрата» [6, с.96, выражение 3.64] Ф(k) может быть представлен в виде:

Ф ( k ) = ( A k ϕ ) T ( A k ϕ ) = k T A T A k 2 k T A T ϕ + ϕ T ϕ = = k T A T A k 2 k T A T A ( A T A ) 1 A T ϕ + ϕ T ϕ = k T A T A k 2 k T A T A k ^ + ϕ T ϕ = = ( k k ^ ) T B ( k k ^ ) + ϕ T ϕ k ^ T B k ^ ,

где от k зависит только первое слагаемое. Поэтому задача поиска минимума функционала Ф(k) при условии (5) сводится к нахождению минимального эллипсоида из семейства (7), имеющего одну общую точку со сферой (5), то есть касающегося сферы.

Семейство подобных эллипсоидов с общим центром в точке k ^ конца вектора

( k k ^ ) T ( k k ^ ) = C > 0 ( 7 )

Результирующие данные модулей 4, 6 и 7 подаются на входы модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

Для определения искомого вектора k прихода плоской волны в модуле 5 рассчитывается точка касания эллипсоида из семейства (7) с сферой (5). Для этого в модуле 5 осуществляются следующие операции:

- определяются собственные значения b1, b2, b3 матрицы В -неотрицательные вещественные числа, и соответствующий им ортонормированный набор собственных векторов ν1, ν2, ν3 матрицы В;

- осуществляется переход в систему координат, оси которой - собственные векторы матрицы В, и определяются координаты вспомогательного вектора k ^ = ( k ^ 1 , k ^ 2 , k ^ 3 ) T в новой системе координат:

( k ^ 1 k ^ 2 k ^ 3 ) = V ( k ^ x k ^ y k ^ z ) , ( 8 )

где V = ( ν 1 T ν 2 T ν 3 T ) - матрица перехода в новую систему координат

- для координат искомого вектора k=(k1, k2, k3)T в новой системе координат и параметра L составляется система уравнений:

{ ( b 1 + L ) k 1 = b 1 k ^ 1 ( b 2 + L ) k 2 = b 2 k ^ 2 ( b 3 + L ) k 3 = b 3 k ^ 3 k 1 2 + k 2 2 + k 3 2 = ( 2 π λ ) 2 , ( 9 )

- подстановкой выражений для k1, k2, k3 из первых трех уравнений в четвертое система уравнений (8) сводится к алгебраическому уравнению 6-й степени с одним неизвестным параметром L:

( 2 π λ ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 2 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 ( b 1 k ^ 1 ) 2 ( b 2 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 ( b 2 k ^ 2 ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 ( b 3 k 3 ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 2 + L ) 2 = 0 ; ( 10 )

- находится ближайший к 0 корень Z уравнения (9);

- подстановкой найденного значения для L в систему (8) из первых трех уравнений находятся координаты k1, k2, k3 искомого вектора k;

- осуществляется обратный переход в исходную систему координат:

( k x k y k z ) = V T ( k 1 k 2 k 3 ) , ( 11 )

Углы прихода сигнала (азимут и угол места):

θ = a r c t g ( k x / k y ) ( 12 )

β = arcsin ( k z ) .

Процесс векторного построения в ходе обработки сигнала ИРИ приведен на фиг.2, где S - сфера радиуса r = 2 π λ - с центром в 0 - начале декартовой системы координат X,Y,Z; E - эллипсоид из семейства (7), касающийся S, с центром в k ^ и осями ν1, ν2, ν3; k - волновой вектор - точка

касания Е с S.

Модули 4-7 могут быть выполнены, например, на базе процессоров Texas Instruments TMS 320 С 6416/6713 и ПЛИС [6].

Таким образом, предлагаемый способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона не требует процедур сканирования и двумерных итераций, за счет чего существенно повышается быстродействие пеленгования.

Количественные показатели повышения быстродействия зависят от условий пеленгования и в случаях проведенных экспериментов и моделирования находились в пределах 30-70 раз.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа подтвердила правильность и достаточность технических решений.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. -М.: Воениздат, 1966 (с.74).

2. А.В.Дубровин. Потенциальная точность измерения направления на излучатель для пеленгационных средств с кольцевыми антенными решетками. «Антенны», 2006, выпуск 2(15), с.29-31.

3. Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Патент RU 2096797, МПК G01S 3/14, опубликован 20.11.1997.

4. Способ одноканального радиопеленгования квазигармонических сигналов при минимальном числе неподвижных ненаправленных антенных элементов и устройство для его реализации. Патент RU №2210088, МПК G01S 3/54, опубликован 10.08.2003. Бюл. №22.

5. Способ определения координат источника радиоизлучений при амплитудно-фазовой пеленгации с борта летательного аппарата. Патент RU 2432580 С1, МПК G01S 1/08, приоритет 03.08.2010.

6. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, 1990.

7. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона, содержащее N радиоприемников, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока опорного генератора, отличающееся тем, что в него введены модуль вычислителя параметров пеленга, модуль определения векторов сигнала, модуль определителя дисперсии ошибок и модуль формирования матриц элементов антенной решетки, вход которого подключен к выходу фазометрического модуля, а выход соединен с первым входом модуля вычислителя параметров пеленга, через модуль определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников являются входами сигнала источника радиоизлучений, а дополнительный вход модуля формирования матриц антенной решетки является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат - повышение селективности ИРИ.

Устройство обработки сигналов навигационного радиолокатора может быть использовано в судовых радиолокаторах надводной обстановки. Достигаемый технический результат - уменьшение времени швартовки без уменьшения безопасности движения судна.

Изобретение относится к радиотехнике и используется как аварийно-спасательный радиомаяк для передачи аварийного сообщения через искусственные спутники Земли системы КОСПАС-САРСАТ на станции приема и обработки информации аварийного сообщения.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения координат источника радиоизлучений (ИРИ), в частности для определения координат ИРИ коротковолнового (КВ) диапазона в ходе радиомониторинга.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для пеленгования источников радиосигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) в коротковолновом (KB) диапазоне.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения координат источников радиоизлучений (ИРИ), в частности для определения координат ИРИ при амплитудно-фазовой пеленгации с борта летательного аппарата (ЛА).

Изобретение относится к радиотехнике. .

Группа изобретений относится к навигационным системам. Достигаемый технический результат - расширение ассортимента радиокомпасов, что достигается за счет использования в них определителя рассогласования продольной оси радиокомпаса с направлением на радиомаяк. Указанный результат достигается тем, что определяют направление на радиомаяк посредством излучения в сторону радиомаяка и переизлучения им электромагнитной энергии обратно следующим образом. Из двух точек радиокомпаса (как выполнен, смотри ниже), с базовым L расстоянием между точками, на радиомаяк излучают два непрерывных сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразно линейно возрастающему закону (НЛЧМ сигнал), с близкими частотами f1 и f2 НЛЧМ сигнала и одинаковыми его частотой модуляции Fm и девиацией частоты dfm, которые: принимают на радиомаяке, усиливают по мощности и переизлучают в сторону радиокомпаса, где их перемножают с излученными НЛЧМ сигналами и выделяют сигналы: Fpi=2DiFmdfm/C-2Vif1/C и Fpj=2DjFmdfm/C-2Vif2/C, где Di и Dj - расстояние между антеннами радиокомпаса и антенной радиомаяка, перемещающегося со скоростью Vi, C - скорость света, а затем, после перемножения сигналов с частотами Fpi и Fpj, выделяют разностный сигнал частотой f3=Fpi-Fpj, величина которой, при совпадении линии расположения антенн радиокомпаса с направлением на радиомаяк, или перпендикуляра, восстановленного из середины линии расположения антенн радиокомпаса, с направлением на радиомаяк, независимо от расстояния между радиокомпасом и радиомаяком, является конкретной и позволяет утверждать, что при обнаружении на радиокомпасе сигнала частотой f3, направление на радиомаяк определено. Радиокомпас содержит радиомаяк и двухчастотный частотный дальномер с двумя антеннами, установленными на базовом L расстоянии между собой, выходы фильтров разностных частот которого, через последовательно соединенные смеситель и узкополосный полосовой фильтр, подключены к схеме включения сигнализации. А радиомаяк содержит антенну, полосовой фильтр и усилитель мощности. 3 н.п. ф-лы.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. Достигаемый технический результат - возможность селекции источника сигналов в трехмерном пространстве. Технический результат достигается тем, что устройство для определения направления на источник сигнала содержит первую магнитную антенну, вторую магнитную антенну, перпендикулярную первой магнитной антенне, третью антенну, шесть усилителей, двенадцать аналого-цифровых преобразователей (АЦП), персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ или микропроцессору), содержит также блок системы единого времени (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, три смесителя, двенадцать управляемых фильтров, шесть коммутаторов, четыре цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), три калибратора, формирователь, гониометр, выполненный определенным образом, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители выполнены управляемыми по фазовому сдвигу и усилению с управляющими входами, подключенными к ПЭВМ, третья антенна выполнена магнитной и ориентирована перпендикулярно первой и второй магнитным антеннам. Перечисленные средства выполнены и соединены между собой определенным образом. 2 ил.
Изобретение относится к области обеспечения поисково-спасательных операций при авариях летательных и подводных объектов. Способ определения места крушения движущегося объекта характеризуется использованием устройств, снабженных воздухо- и водоплавающими носителями, активируемыми после отделения устройств от объекта, радиомаяками, идентификатором и навигатором, накопителями информации о состоянии объекта, системой связи и демаскирующими элементами для уверенного поиска и определения координат цепочки устройств на поверхности, по которой локализуют трассу и место непосредственно крушения объекта. Изобретение направлено на повышение эффективности поисково-спасательных работ. 2 з.п. ф-лы.
Наверх