способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте для круговой антенной системы
Классы МПК: | G01S5/04 с определением местоположения источника излучения с помощью нескольких разнесенных пеленгаторов |
Автор(ы): | Грешилов Анатолий Антонович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-06-29 публикация патента:
27.10.2013 |
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации. Достигаемый технический результат - повышение скорости пеленгации при приеме радиосигналов нескольких источников радиоизлучения, работающих на одной частоте, с использованием круговых антенных систем (АС), состоящих из слабонаправленных элементов (вибраторов). Повышение скорости пеленгации достигается за счет использования эффективного алгоритма идентификации параметров радиосигналов, а именно получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель системы уравнений, сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС и при заданных значениях азимутальных пеленгов k в заданных диапазонах:
; m
[1,m]
i=ехр(j(2
R/
)cos
icos
i) uiexp(j
i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ; R - радиус AC;
- длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;
i - начальная фаза i-го сигнала;
m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов; М - количество элементов (вибраторов) круговой АС; К - количество ИРИ; N - количество заданных дискрет азимутального пеленга; на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд uiexp(j
i) и значений
i, которые вместе с заданными значениями
i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов
i через функцию арккосинус из условия:
i=ехр(j(2
R/
)cos
icos
i). 1 ил.

Формула изобретения
Способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ) на одной частоте, включающий в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной антенной системы (АС), синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента АС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор амплитудно-фазового распределения (АФР) y(u, ,
), описывающий распределение на элементах АС амплитуд и фаз, содержащих
и
- азимутальные и угломестные пеленги ИРИ соответственно, отличающийся тем, что получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель системы уравнений, сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС и при заданных значениях азимутальных пеленгов
в заданных диапазонах:
; m
[1,M],
где i=ехр(j(2
R/
)cos
icos
i);
uiexp(j i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ;
R - радиус АС; - длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;
i - начальная фаза i-го сигнала;
m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов;
М - количество элементов (вибраторов) круговой АС;
К - количество различных сигналов ИРИ (или количество ИРИ);
N - количество заданных дискрет азимутального пеленга;
далее на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд uiexp(j i) и значений
i, которые вместе с заданными значениями
i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов
i через функцию арккосинус из условия:
i=ехр(j(2
R/
)cos
icos
i).
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации. Многосигнальная пеленгация источников радиоизлучения (ИРИ) имеет место в процессе мониторинга радиоэлектронной обстановки при многолучевом распространении радиоволн, воздействии преднамеренных и непреднамеренных помех, отражениях сигнала от различных объектов и слоев атмосферы.
Задача радиопеленгации является некорректной. Большинство методов многосигнальной пеленгации на одной частоте, описанных в литературе, опираются на статистические методы проверки гипотез, на метод максимума правдоподобия, сверхразрешающие методы (например, MUSIC) и др. Однако задача пеленгации ИРИ как некорректная задача не может быть решена надежно ни статистическими методами, достоверность результата которых определяется точностью полученных оценок параметров сигналов; ни методом наименьших квадратов (МНК) в силу нелинейности и плохой обусловленности решаемой системы уравнений; ни сверхразрешающими методами, которые дают приемлемые результаты лишь при высоких соотношениях сигнал/шум и не обеспечивает разрешение ИРИ, имеющих близкие по значениям пеленги.
Все способы пеленгации имеют много общего: радиосигналы источников принимают посредством антенной системы (АС), получают комплексные амплитуды сигналов на выходах элементов антенн (вектор амплитудно-фазового распределения (АФР)) и по этим данным определяют значения параметров сигналов. Отличие состоит в том, по каким алгоритмам обрабатывают зарегистрированные антенной системой сигналы.
Известны способы пеленгации с повышенной разрешающей способностью [1, 2].
В патенте [2] задача решается с помощью lP-регуляризации. Этот способ требует достаточно много времени для обработки сигнала, что не позволяет его применить в оперативной обстановке, и квалифицированных операторов, т.к. в методе необходимо для каждого измерения задавать значения параметра регуляризации и показатель степени регуляризирующего (функционала. Однозначных подходов для их выбора не существует.
Поэтому в качестве прототипа принят способ, описанный в патенте [1]: Способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте включает в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной АС, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента ЛС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор АФР y(u, ,
), описывающий распределение амплитуд и фаз на элементах АС.
Способ-прототип обладает следующими недостатками:
- предназначен для линейных, а не круговых АС;
- для круговой АС не удается свести задачу к системе алгебраических уравнений, в которых неизвестные переменные имеют целочисленные показатели степени;
- нельзя исключить неизвестные амплитуды сигналов на первом этапе решения задачи, тем самым раздельно определить амплитуды сигналов и пеленги излучателей;
- не всегда требуется дополнительная операция для раздельного определения азимутальных и угломестных
пеленгов.
Указанные недостатки не позволяют применять прототип в реальных условиях для которых АС, которые более компактны и распространены, чем линейные АС.
Предлагаемый способ свободен от указанных недостатков и является параметрическим методом многосигнального пеленгования на одной частоте. Сигналы рассматриваются как детерминированные, подверженные аддитивной помехе, оценки параметров которых подлежат определению. В качестве АС рассматривается круговая АС, состоящая из нескольких слабонаправленных элементов (вибраторов). В качестве фазового центра (точки, относительно которой происходит измерение фаз сигналов, приходящих на элементы антенной системы) выбирается один из вибраторов.
Ставят задачу определения следующих параметров присутствующих в эфире ИРИ:
- амплитуды (мощности) излучаемых сигналов;
- азимутальных и угломестных пеленгов ИРИ,
- исключения дополнительной операции для раздельного определения азимутальных и угломестных
пеленгов,
- для повышения быстродействия выполнения последовательности простых математических операций, не требующих больших вычислительных затрат.
Задача изобретения - свести обработку реальных сигналов ИРИ к простейшим формулам, чтобы минимизировать время вычислительной обработки для определения пеленга.
В изобретении задача решается следующим образом: способ многосигнальной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ) на одной частоте включает в себя прием многолучевого сигнала посредством многоэлементной АС, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента АС, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал-вектор амплитудно-фазового распределения (АФР) у(u, ,
), описывающий распределение на элементах АС амплитуд u и фаз, определяющих
и
- азимутальный и угломестный пеленги ИРИ соответственно. При этом получение пеленгов осуществляют в круговой АС посредством предварительного введения в вычислитель сформированной для конкретной предварительно образмеренной круговой АС (и с заданными значениями вектора в азимутальных пеленгов в заданном диапазоне) системы уравнений для m-го элемента АС:
где i=exp(j(2
R/
)cos
icos
i);
uiexp(j i) - комплексная амплитуда сигнала i-го ИРИ;
R - радиус АС;
- длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;
i - начальная фаза i-го сигнала;
m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент АС, и линией отсчета азимутальных пеленгов;
М - количество элементов (вибраторов) круговой АС;
К - количество различных сигналов ИРИ (или количество ИРИ);
N - количество заданных дискрет азимутального пеленга;
далее на выходе решения указанной системы уравнений получают значения параметров амплитуд ui exp(j i) и значений
i, которые вместе с заданными значениями
i поступают на вход блока вычисления угломестных пеленгов
i через санкцию арккосинус из условия:
i=ехр(j(2
R/
)cos
icos
i).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом посредством операций:
1. Задается диапазон только азимутальных пеленгов , в котором могут находиться излучаемые сигналы, например, от 0 до 360 градусов. Вектор этих значений или система таких векторов являются одной из характеристик круговой АС и формируется до проведения измерений.
2. Формируется система алгебраических уравнений размерностью М на N, М - число элементов AC, N - число дискрет азимутальных пеленгов в выбранном диапазоне (обычно этот диапазон равен 360°, тогда в простейшем случае при постоянном шаге
изменения азимутального пеленга
количество дискрет N=360/
). Уравнения АС имеют следующий вид:
Эта система уравнений также является одной из характеристик круговой АС и формируется до проведения измерений.
3. Физические радиосигналы от К ИРИ принимают в реальном времени посредством круговой АС, содержащей М элементов (вибраторов).
4. Получают комплексные амплитуды сигналов на выходах антенн (вектор АФР). m-й элемент вектора АФР имеет вид
где К - количество ИРИ, ui - амплитуда сигнала i-го ИРИ, m(
i,
i) - фаза сигнала i-го ИРИ на m-м элементе АС (вибраторе), зависящая от азимутального и угломестного пеленгов i-го ИРИ
i и
i соответственно, nm - шум, имеющий место на m-м элементе (вибраторе), включающий в себя шум мирового фона и аппаратуры.
5. Комплексные амплитуды сигналов на выходах антенн (вектор АФР) поступают в вычислитель через M-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), далее блок восстановления АФР, то есть получение дискретных комплексных значений огибающих сигналов.
Процедуру определения параметров в блоке идентификации параметров осуществляют на основе синхронного измерения выходов элементов М-элементной круговой АС в моменты времени t (примечание: увеличить число уравнений в системе (1) для повышения точности решения можно путем учета значений вектора АФР, полученного в различные моменты времени).
Выход ym m-го элемента круговой АС имеет вид
где u - вектор амплитуд (мощностей) сигналов, излучаемых ИРИ;
,
- векторы азимутальных и угломестных пеленгов ИРИ соответственно;
R - радиус АС;
- длина волны сигнала, излучаемого ИРИ;
i - начальная фаза i-го сигнала (i-го ИРИ);
m - угол между линией, проведенной через центр АС и ее m-й элемент, и линией отсчета азимутальных пеленгов.
Применим к (3) простейшие преобразования
Тогда ((2 R/
)cos(
i-
m)cos
i)/((2
R/
)cos(
i)cos
i)=cos
m+tg
isin
m.
Отсюда ((2 R/
)cos(
i-
m)cos
i)=((2
R/
)cos(
i)cos
i)(cos
m+tg
isin
m)
или
Ai=uiexp(j i) - комплексная амплитуда i-го сигнала.
Получили систему алгебраических уравнений (5). Для ее решения в вычислителе сформирована сетка по
для каждого поступающего сигнала, например,
[0,360],
=1 (тогда N=360/1=360). Получаем систему, в которой для каждого i-го сигнала задается набор значений
il:
6. Введенное преобразование (4) позволяет разделить определение параметров сигналов на два шага, что обеспечивает получение более устойчивого к помехам решения. Процесс решения состоит из двух шагов: сначала из системы (6) найдем оценки комплексной амплитуды uiexp(j i),
i и
i. Зная
i и
i, по определению (4) найдем угломестный пеленг
i посредством тригонометрической функции арккосинус.
7. В вычислитель поступает предварительно ранее сформированная система уравнений (6) при заданных значениях азимута il и вектор АФР. На выходе вычислителя получают комплексную амплитуду uiexp(j
i), значения
i и
i. Значения
i и
i подают в блок вычисления угломестного пеленга
i согласно определению (4).
8. Дисперсии полученных оценок определяют как дисперсии функции случайного аргумента. На основе полученных дисперсий строят соответствующие доверительные интервалы [3].
Операции способа поясняются Фиг.1 - структурной схемой устройства пеленгации.
Изложенный способ обладает высоким быстродействием, т.к. не содержит в себе операции, требующих больших вычислительных затрат.
Пример
Задана круговая АС с двумя элементами (вибраторами), отстоящими друг от друга на угол 30 градусов, то есть i=0;
.
Запишем для двух сигналов 1-е и 2-е уравнения из системы (6). В примере отразим тот факт, что для каждого сигнала ряды значений азимутального пеленга могут быть различными (например, на весь интервал 360 градусов дискретность изменения азимутального пеленга может быть различной - от долей до нескольких градусов):
При заданных значениях y1 (u, ,
),
, y2(u,
,
) и
, решая приведенную систему уравнений, находим оценки искомых параметров. Заметим, что для конкретной круговой АС система уравнений (6) (исключая столбец y1(u,
,
),
, y2(u,
,
) будет составлена заранее.
Для нового измерения (наблюдения) той же АС достаточно ввести новый столбец измеренных значений y1(u, ,
),
, y2(u,
,
). И далее в процессе работы системы в вычислитель вводят только конкретный результат измерений для всех элементов (вибраторов) круговой AC - только левую часть уравнений (6), то есть значения y1(u,
,
),
, y2(u,
,
) и
.
Таким образом, для получения пеленгов достаточно выполнения последовательности простых математических операций, не требующих больших вычислительных затрат.
Источники информации
1. Грешилов А.А. Патент RU 2380719, МПК G01S 5/04, опубл. 27.01.2010.
2. Грешилов А.А., Плохута П.А. Патент RU 2382379, МПК G01S 5/04, опубл. 20.02.2010.
3. Грешилов А.А. Математические методы принятия решений: Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 584 с.
Класс G01S5/04 с определением местоположения источника излучения с помощью нескольких разнесенных пеленгаторов