Способ определения координат источника радиоизлучения

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано для высокоточного определения с помощью летательных аппаратов координат источников радиоизлучений (ИРИ), излучающих непрерывные или квазинепрерывные сигналы. Достигаемый технический результат - снижение аппаратурных затрат при реализации способа на базе изделий функциональной электроники, а при реализации способа на базе аппаратных средств цифровой обработки сигналов - повышение быстродействия за счет уменьшения количества арифметических операций. Указанный результат достигается за счет того, что способ определения координат ИРИ заключается в приеме сигналов ИРИ на трех летательных аппаратах, их ретрансляции на центральный пункт обработки и вычислении координат ИРИ по разностям радиальных скоростей, при этом дополнительно находятся доплеровские сдвиги частоты как аргумент максимизации амплитудного спектра произведения сигнала с одного ретранслятора на сигнал с другого ретранслятора, подвергнутый комплексному сопряжению и сдвигу на временную задержку, которая определяется как аргумент максимизации модуля функции взаимной корреляции преобразованных сигналов, полученных путем перемножения исходных сигналов на эти же сигналы, подвергнутые комплексному сопряжению и временному сдвигу на интервал T, превышающий величину, обратно пропорциональную удвоенной ширине спектра сигнала.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано для высокоточного определения с помощью летательных аппаратов координат источников радиоизлучений (ИРИ), излучающих непрерывные или квазинепрерывные сигналы.

Из известных способов по технической сущности наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ определения координат ИРИ [1], заключающийся в приеме сигналов ИРИ на трех летательных аппаратах, ретрансляции сигналов на центральный пункт обработки, вычислении разностей радиальных скоростей летательных аппаратов, с последующим вычислением координат ИРИ по разностям радиальных скоростей, при этом сигналы, ретранслированные с летательных аппаратов, подвергаются взаимно корреляционной обработке, а разности радиальных скоростей летательных аппаратов вычисляются на основе коэффициентов сжатия сигналов, определяемых путем поиска максимума взаимно корреляционной функции сигналов, ретранслированных с летательных аппаратов.

В способе-прототипе разности радиальных скоростей вычисляются через коэффициент сжатия, определяемый на основе максимизации взаимно корреляционной функции сигналов. Для этого в [1] предлагается перед вычислением функции взаимной корреляции ретранслированные сигналы подвергать обработке в акустоэлектронных устройствах (АУЭ), например, в дисперсионной линии задержки (ДЛЗ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), имеющей наклон частотной характеристики группового времени задержки (ГВЗ), обратный наклону функции сжатия (или растяжения) во времени сигнала вследствие эффекта Доплера [2, с. 257-258; с. 283-284].

Недостатком такого варианта реализации способа-прототипа является большая аппаратурная избыточность, поскольку в данном случае требуется применение широкой номенклатуры ДЛЗ на ПАВ с различным наклоном частотных характеристик ГВЗ, перекрывающей весь диапазон возможного изменения коэффициентов сжатия (доплеровского сдвига частоты) принимаемых и ретранслируемых летательными аппаратами сигналов.

Другим вариантом реализации способа-прототипа является применение аппаратных средств цифровой обработки сигналов (ЦОС) [3, с. 23]. Обычно в аппаратуре ЦОС при вычислении функции взаимной корреляции вначале оба сигнала дополняются нулями для удвоения количества отсчетов с целью исключения эффекта наложения боковых периодов при дискретной свертке. Затем обе удвоенные по объему выборки сигнала подвергаются быстрому преобразованию Фурье (БПФ). Далее комплексно сопряженный спектр одного из сигналов сдвигают по частоте на элемент разрешения в диапазоне возможных значений доплеровского смещения. И, наконец, оба спектра перемножаются и осуществляется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ) от полученного произведения, которое, в соответствии с теоремой Винера-Хинчина, и есть функция взаимной корреляции ретранслированных сигналов.

С учетом изложенного видно, что для поиска элемента разрешения, соответствующего доплеровскому сдвигу ретранслированных сигналов, в аппаратуре ЦОС потребуется рассчитать М раз (М - число элементов разрешения по доплеровскому сдвигу) функцию взаимной корреляции путем выполнения двух БПФ и одного ОБПФ. Поскольку алгоритм БПФ (ОБПФ) содержит 2⋅N⋅log2[2⋅N] арифметических операций [3, с. 14-15], то в общем случае поиск доплеровского сдвига ретранслированных сигналов на основе применения методов ЦОС потребует выполнения 3⋅М⋅2⋅N⋅(1+log2N) арифметических операций, где N - исходный размер выборки сигнала.

Таким образом, оба возможных варианта реализации способа-прототипа имеют недостатки: при реализации на базе изделий функциональной электроники - большая аппаратурная избыточность, а при использовании аппаратных средств ЦОС - значительное число арифметических операций.

Цель изобретения - снижение аппаратурных затрат при реализации способа на базе изделий функциональной электроники, а при реализации способа на базе аппаратных средств ЦОС - повышение быстродействия за счет уменьшения количества арифметических операций.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в приеме сигналов ИРИ xi(t) (t - время) на трех летательных аппаратах (i=1, 2, 3), их ретрансляции на центральный пункт обработки и вычислении координат ИРИ по разностям радиальных скоростей, прямо пропорциональных значениям доплеровского сдвига частоты, соответствующих глобальному максимуму функции взаимной корреляции ретранслированных сигналов, согласно изобретению доплеровские сдвиги частоты находятся как аргумент максимизации амплитудного спектра произведения сигнала с одного ретранслятора xk(t) на сигнал xi(t) с другого ретранслятора, подвергнутый комплексному сопряжению и сдвигу на временную задержку τki: xk(t)⋅xi(t-τki)* (i≠k; i, k=1, 2, 3), при этом задержка τki определяется как аргумент максимизации модуля функции взаимной корреляции преобразованных сигналов Yk(t) и Yt(t), полученных путем перемножения исходных сигналов на эти же сигналы, подвергнутые комплексному сопряжению и временному сдвигу на интервал Т: Ym(t)=xm(t)⋅xm(t-Т)*, где m=i,k; T≥1/(2⋅F); F - ширина спектра сигнала; - знак комплексного сопряжения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается введением новых операций - измерения разности задержек ретранслированных сигналов после предварительного их преобразования и вычисления разности доплеровского смещения частоты путем определения максимальной спектральной составляющей в спектре произведения ретранслированных сигналов, когда один из сигналов сдвигается на вычисленную задержку. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Поясним подробнее сущность заявляемого способа.

Представим излучаемый ИРИ сигнал в комплексном виде:

где A(t) и ϕ(t) - соответственно действительные амплитуда и фаза сигнала ИРИ; ω - несущая частота сигнала; j - мнимая единица; t - время.

После ретрансляции сигнала i-м (k-м) летательным аппаратом на входе приемника центрального пункта обработки этот сигнал претерпевает доплеровское смещение ωдiдk), задержку на время τik) и ослабление в μik) раз:

Если i-й ретранслированный сигнал задержать на время τkiki, i≠k, то получим сигнал, в котором амплитуда и фаза повторяют по времени амплитуду и фазу сигнала, ретранслированного k-м летательным аппаратом:

Из выражений (2) и (3) видно, что произведение k-го сигнала на задержанный комплексно-сопряженный i-й сигнал:

где - знак комплексного сопряжения позволяет сформировать гармонический сигнал с амплитудной модуляцией μi⋅μk⋅A(t-τk)2 и фиксированной начальной фазой (ωдiдk)-τk, несущая частота которого постоянна и равна разности доплеровских частот сигналов при ретрансляции i-м и k-м летательным аппаратом: .

Представим преобразованный сигнал xk(t)⋅xi(t-τki)* в форме:

где So - математическое ожидание огибающей μi⋅μk⋅A(t-τk)2; ; ; Amax=max{μi⋅μk⋅A(t-τk)2}; Amin=min{μi⋅μk⋅A(t-τk)2};

Формула (5) совпадает с традиционной формой записи амплитудно-модулированного сигнала с индексом модуляции mAM, 0≤mAM≤1 [5, с. 67-69]. Известно [5, с. 69], что мощность, заключенная в боковых полосах амплитудно-модулированного сигнала, зависит от индекса модуляции mAM и увеличивается с увеличением глубины модуляции. Однако даже в крайнем случае, когда mAM=1, только 1/3 всей мощности колебания приходится на две боковые полосы. Следовательно, мощность, приходящаяся на колебание несущей частоты , составляет более 2/3 мощности преобразованного сигнала (4).

Таким образом, доплеровское смещение может быть найдено путем определения максимальной спектральной составляющей в амплитудном спектре произведения ретранслированных сигналов (4), когда один из сигналов сдвигается по времени на величину τkiki, i≠k.

Для нахождения временного сдвига τki воспользуемся предложенным в [4] способом. В [4] показано, что преобразование ретранслированных сигналов вида: Ym(t)=xm(t)⋅xm(t-Т)*, (где m=i,k) инвариантно к доплеровскому смещению частоты и позволяет, в отличие от метода прямого поиска глобального максимума время-частотной функции неопределенности, определять задержку путем однократного вычисления функции взаимной корреляции таких преобразованных сигналов без поиска по частоте доплеровского смещения. Суть этого способа заключается в том, что перед вычислением взаимокорреляционной функции ретранслированные сигналы ИРИ подвергаются дополнительной обработке:

где T - фиксированный временной сдвиг: T≥1/(2⋅F); F - ширина спектра сигнала; - знак комплексного сопряжения.

Далее задержка τki определяется как аргумент максимизации модуля взаимокорреляцонной функции сигналов Yk(t) и Yi(t):

Воспользуемся неравенством Коши-Буняковского-Шварца [6]:

Причем равенство в (7) достигается тогда, когда и g(r) равны с точностью до постоянного множителя.

Применительно к сигналам (5) неравенство (7) представим в следующем виде:

С учетом принятых ранее обозначений в (5), получим формулы входящих в числитель и знаменатель (8) выражений:

где Ek{t}=A(t-τk)⋅A(t-τk+T); El{t}=A(t-τi+τ)⋅A(t-τi+T+τ);

Θk{t}=ϕ(t-τk)-ϕ(t-τk+T); Θi{t}=ϕ(t-τi+τ)-ϕ(t-τi+T+τ);

При выводе формулы (9) учтено, что . Следовательно, можно утверждать, что модуль взаимокорреляционной функции (6) не зависит от величины доплеровского сдвига .

Подставляя (9)-(11) в (8) получаем эквивалентное неравенство:

Основываясь на свойствах неравенства Коши-Буняковского-Шварца [6], можно утверждать, что если Θk{t}-Θi{t}≠0, то есть когда τki≠τki, модуль взаимокорреляционной функции сигналов Yk(t) и Yi(t) (левая часть неравенства (12)), будет меньше единицы. Если же τkiki то неравенство (12) преобразуется в равенство:

Из (13) видно, что аргумент максимизации модуля взаимокорреляцонной функции сигналов Yk(t) и Yi(t) (6) равен разности времен распространения сигналов ИРИ при ретрансляции k-м и i-м летательным аппаратом: τkiki. Причем при вычислении разностей времен распространения сигналов не требуется многократное вычисление взаимокорреляционных функций для всех возможных значений доплеровских сдвигов.

Оценим выигрыш от предлагаемого технического решения. Поскольку это решение отличается от прототипа способом измерения доплеровского сдвига частоты сигналов при ретрансляции, сравнение проведем применительно к устройствам, выполняющим эту операцию.

При реализации заявляемого способа на базе изделий функциональной электроники для измерения задержки τkiki потребуются две линии задержки на время T и два смесителя, формирующие сигналы Yk(t) и Yt(t), а также коррелятор на ПАВ конвольвере [2, с. 299-300], на котором и измеряют указанную задержку как максимум корреляционного интеграла (6). Измерение доплеровского сдвига потребует применения многоотводной линии задержки с коммутируемым выходом [2, с. 290-291, рис. 10.6], смесителя - для формирования произведения сигналов xk(t)⋅xi(t-τki)* и аналогового Фурье-процессора на ПАВ [2, с. 274-276]. Следовательно, в предлагаемом способе реализация измерения доплеровского сдвига на изделиях функциональной электроники потребует использования двух линий задержки на фиксированное время Т, трех смесителей, коррелятора на ПАВ конвольвере, многоотводную линию задержки с коммутируемым выходом и аналогового Фурье-процессора.

В способе-прототипе измерение доплеровского сдвига за сопоставимый интервал времени потребует применения М дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), имеющих разные наклоны частотной характеристики группового времени задержки (ГВЗ), компенсирующие доплеровские сдвиги (М - число элементов разрешения по доплеровскому сдвигу), и М корреляторов.

Таким образом, при использовании изделий функциональной электроники выигрыш составит примерно М раз.

При реализации согласно заявляемому способу измерения доплеровского сдвига на аппаратных средствах ЦОС потребуется выполнить 2⋅N умножений (для формирования сигналов Yk(t) и Yi(t) (5)), где N - размер выборки сигнала. Для вычисления функции взаимной корреляции сигналов Yk(t) и Yi(t) путем расчета двух БПФ и одного ОБПФ потребуется 3⋅2⋅N⋅log2[2⋅N] арифметических операций [3, с. 14-15]. И, наконец, при вычислении доплеровского сдвига потребуется выполнить N умножений для формирования сигнала xk(t)⋅xi(t-τki)* и N⋅log2[N] арифметических операций для вычисления спектра сигнала xk(t)⋅xi(t-τki). Таким образом, при реализации предлагаемого способа на аппаратных средствах ЦОС суммарное число арифметических операций составит N⋅(9+7⋅log2[N]). Отсюда следует, что в данном случае выигрыш по сравнению с прототипом составит , где М - число элементов разрешения по доплеровскому сдвигу.

Источники информации

1. Патент RU: №2278395, опубл. 20.06.2006 г.

2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с.: ил.

3. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк. - М.: Радио и связь, 1985. - 312 с., ил.

4. Патент RU: №2568104, опубл. 20.11.2015 г.

5. Теория электрической связи: учебное пособие / К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко; Под общ. ред. К.К. Васильева. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 452 с.

6. Неравенство Коши-Буняковского: [Электронный ресурс] // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Hepaвенство_Коши_-_Буняковского (Дата обращения: 07.12.2015).

Способ определения координат источника радиоизлучения (ИРИ), заключающийся в приеме сигналов ИРИ xi(t) (t - время) на трех летательных аппаратах (i=1, 2, 3), их ретрансляции на центральный пункт обработки и вычислении координат ИРИ по разностям радиальных скоростей, прямо пропорциональных значениям доплеровского сдвига частоты, соответствующих глобальному максимуму функции взаимной корреляции ретранслированных сигналов, отличающийся тем, что доплеровские сдвиги частоты (Δƒik) находятся как аргумент максимизации амплитудного спектра произведения сигнала с одного ретранслятора xk(t) на сигнал xi(t) с другого ретранслятора, подвергнутый комплексному сопряжению и сдвигу на временную задержку τki:xk(t)⋅xi(t-τki)*(i≠k; i,k=1, 2, 3), при этом задержка τki определяется как аргумент максимизации модуля функции взаимной корреляции преобразованных сигналов Yk(t) и Yi(t), полученных путем перемножения исходных сигналов на эти же сигналы, подвергнутые комплексному сопряжению и временному сдвигу на интервал Т:Ym(t)=xm(t)⋅xm(t-Т)*, где m=i,k; Т≥1/(2⋅F); F - ширина спектра сигнала; (o)* - знак комплексного сопряжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах навигации. Технический результат состоит в повышении точности определения показателя надежности.

Изобретение относится к способам определения расстояния между пунктами на поверхности Земли на основе использования глобальных космических систем GPS и ГЛОНАСС. Достигаемый технический результат – повышение точности определения расстояния между пользовательскими пунктами.

Изобретение относится к технологиям отображения позиции на карте, включающим определение точки кривой, наиболее близкой к позиции. Техническим результатом является повышение быстродействия при поиске точки на кривой, ближайшей к текущей позиции, за счет исключения необходимости расчета расстояния до всех точек кривой.

Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) и предназначено для обеспечения безопасности полета группы ЛА. Определение относительного положения соседних ЛА по отношению к данному ЛА может быть определено несколькими способами с последующей комплексной обработкой навигационной информации.

Изобретение относится к способу навигации объекта относительно площадки с использованием измерений расстояния. Достигаемый технический результат – повышение точности навигации объекта.

Изобретение относится к области определения местоположения беспроводных средств связи. Техническим результатом является улучшение осведомленности о местоположении устройства, обеспечивающее активацию целевого приложения на устройстве пользователя.

Изобретение относится к области определения местоположения мобильных клиентских терминалов. Техническим результатом является обеспечение возможности управления компонентами мобильных клиентских терминалов на основании их местоположения.

Изобретение относится к космической области и может быть использовано для осуществления контроля целостности спутниковой радионавигационной системы без участия средств наземного комплекса управления и контрольных станций, размещаемых глобально.
Изобретение относится к области спутниковой навигации и может быть использовано в навигационной аппаратуре потребителей сигналов глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, в том числе устанавливаемой на борту космических аппаратов.

Изобретение относится к спутниковой навигации и может быть использовано для испытаний и проверки навигационной аппаратуры потребителей (НАП) спутниковых навигационных систем (СНС), размещенной в замкнутом или экранированном пространстве.

Изобретение относится к пассивным системам радиомониторинга и может быть использовано в системах местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат изобретения - повышение эффективности определения координат ИРИ, размещенных в труднодоступной местности.

Изобретение относится к пассивным системам радиоконтроля и может быть использовано в системах местоопределения радиоизлучающих средств. Достигаемый технический результат - снятие ограничения по взаимному пространственному расположению приемных каналов пеленгационных пунктов.

Изобретение относится к пассивным системам радиомониторинга радиоэлектронных средств, в частности может быть использовано в системах местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ).

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение при обработке радиосигналов, а также в разностно-дальномерной системе местоопределения источников радиоизлучений.

Изобретение относится к пассивным системам радиомониторинга и может быть использовано в системах местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ). Достигаемый технический результат - сокращение времени определения принадлежности местоположения ИРИ к ограниченной области пространства.

Способ местоопределения источника радиоизлучения (ИРИ) относится к радиотехнике, а именно к пассивным системам радиоконтроля. Достигаемый технический результат - повышение точности местоопределения ИРИ, функционирующих в труднодоступной местности.

Изобретение относится к способу спутниковой навигации мобильных объектов железнодорожного транспорта на основе известной траектории движения. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано в системах местоопределения радиоизлучающих средств УКВ-диапазонов.

Изобретение относится к спутниковой навигации и может быть использовано для повышения точности определения вектора состояния космических аппаратов. .

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в радионавигационных системах ближней навигации. .

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для определения местоположения работающей радиолокационной станции (РЛС), имеющей сканирующую направленную антенну.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к пассивным системам радиоконтроля, и, в частности, может быть использовано для высокоточного определения с помощью летательных аппаратов координат источников радиоизлучений, излучающих непрерывные или квазинепрерывные сигналы. Достигаемый технический результат - снижение аппаратурных затрат при реализации способа на базе изделий функциональной электроники, а при реализации способа на базе аппаратных средств цифровой обработки сигналов - повышение быстродействия за счет уменьшения количества арифметических операций. Указанный результат достигается за счет того, что способ определения координат ИРИ заключается в приеме сигналов ИРИ на трех летательных аппаратах, их ретрансляции на центральный пункт обработки и вычислении координат ИРИ по разностям радиальных скоростей, при этом дополнительно находятся доплеровские сдвиги частоты как аргумент максимизации амплитудного спектра произведения сигнала с одного ретранслятора на сигнал с другого ретранслятора, подвергнутый комплексному сопряжению и сдвигу на временную задержку, которая определяется как аргумент максимизации модуля функции взаимной корреляции преобразованных сигналов, полученных путем перемножения исходных сигналов на эти же сигналы, подвергнутые комплексному сопряжению и временному сдвигу на интервал T, превышающий величину, обратно пропорциональную удвоенной ширине спектра сигнала.

Наверх