способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами

Формула изобретения

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 ₁, ₂ и углов места ₁, ₂,

- 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 ₁, ₂ и углов места ₁, ₂ в заданных интервалах и с заданным шагом, азимут и угол места каждого луча определяется по глобальному максимуму совместной диаграммы направленности ( ₁, ₁, ₂, ₂), при этом в случае приема однолучевого сигнала первое решение ( ₁, ₁, ) будет определять параметры луча, а второе решение ( ₂, ₂, ) 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).

Описание изобретения к патенту

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, _n- фаза) в n-точке пространства, определяемой радиус-вектором,

- волновой вектор, который определяется азимутом и углом места .

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 _n- ₀ [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 _n сигнала в каждом канале с помощью временного преобразования Фурье.

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

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

7. Определяют по максимальному значению U1( , ) при сканировании азимут ₀ и угол места ₀ 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 ₁, ₂ и углов места ₁, ₂.

- 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 ₁, ₂ и углов места ₁, ₂ в заданных интервалах и с заданным шагом.

Азимут и угол места каждого луча определяется по максимуму совместной диаграммы направленности ( ₁, ₁, ₂, ₂).

В случае приема однолучевого сигнала первое решение ( ₁, ₁, ) будет определять параметры луча, а второе решение ( ₂, ₂, ) 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 _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 ₁, ₁, ₂, ₂ 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 ( ₁, ₁, ₂, ₂) в точке ₁, ₁, ₂, ₂ и запоминают ее значение и значения переменных (Блок 7).

8. Повторяют действия 5, 6, 7 с другими значениями параметров ₁, ₁, ₂, ₂ из области их определения, определяя все точки диаграммы направленности.

9. Определяют максимальное значение диаграммы направленности и фиксируют параметры ₀₁, ₀₁, ₀₂, ₀₂, а также (Блок 8).

Определяют ранг поля (однолучевое или двухлучевое) по условию U₀₁/U ₀₂>3 (Блок 9).

Таким образом, в случае приема однолучевого радиосигнала способ пеленгации обеспечивает решение ₀₁, ₀₁, a случае приема двухлучевого радиосигнала - решение ₀₁, ₀₁, ₀₂, ₀₂.

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 ₁, ₂ и углов места ₁, ₂

- шумовая составляющая на n-вибраторе.

Запишем функционал

Он представляет собой поверхность в пространстве азимутов ₁, ₂ и углов места ₁, ₂, минимум этой поверхности определяет решение, т.е. азимуты и углы места двух лучей ₀₁, ₀₁, ₀₂, ₀₂. Для нахождения минимума поверхности функционала используется метод перебора по переменным ₁, ₁, ₂, ₂ и метод наименьших квадратов по переменным Метод наименьших квадратов дает систему уравнений для одной точки функционала ₁, ₁, ₂, ₂

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 ₁, ₂, и углов ₁, ₂ места определяет решение ₀₁, ₀₁, ₀₂, ₀₂.

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.