Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор

Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах обнаружения и пеленгования сигналов источников радиоизлучения.

Известен способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, попарное измерение на совпадающих интервалах времени комплексных спектров каждого канала и опорного канала, разбиение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение для каждого частотного поддиапазона комплексных спектральных характеристик, по результату которого судят о значении пеленга (Патент № 2096797, кл. G 01 S 3/14, 3/74, 04.07.96).

Недостатками способа являются невозможность существенного повышения скорости вычисления пеленга из-за применяемого алгоритма определения пеленга путем итерационного поиска максимума и измерение пеленга только в азимутальной плоскости.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу и устройству являются способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор, приведенные в патенте РФ № 2144200, кл. G 01 S 3/14, 3/74, 17.06.99, принятые за прототип.

Способ-прототип включает прием сигналов многоэлементной антенной решеткой, состоящей из N идентичных, ненаправленных элементов в количестве не менее трех, преобразование сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, получение спектральных характеристик сигналов каждого канала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, разделение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, занимаемые отдельными сигналами, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном поддиапазоне путем запоминания спектров сигналов, определение сверток комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, определение по этим сверткам азимутов и углов наклона фронтов волн радиосигналов.

Недостатком способа-прототипа является невозможность существенного увеличения скорости пеленгации вследствие последовательного измерения радиосигнала, последовательной во времени обработки сигналов от пары элементов и применения итерационных процедур двумерного поиска максимума.

Задача, решаемая изобретением, - повышение быстродействия пеленгации.

Технический результат для способа, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение скорости обработки информации о пеленге.

Поставленная задача решается тем, что в способе пеленгации радиосигналов, заключающемся в приеме радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных элементов в количестве не менее трех, преобразовании сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, получении спектральных характеристик сигналов каждого канала, разделении комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнении комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном поддиапазоне, определении сверток комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, определении по этим сверткам направления прихода каждого сигнала, согласно изобретению, антенную систему, расположенную в пространстве произвольным образом, формируют из идентичных антенных элементов с жестким взаимным расположением с номерами от 1 до N, расположенных в пространстве таким образом, что расстояние между n-м и (n+1)-м элементом меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, многоканальные приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектров сигналов, вычислитель сверток выполняют с числом каналов, равным числу антенных элементов, преобразование сигналов многоканальным приемником производят параллельно во времени от всех пар соседних элементов, свертки спектров вычисляют между соседними по номеру пространственными каналами, направление прихода каждого сигнала определяют как единичный вектор в 3-мерной декартовой системе координат, причем каждую компоненту этого вектора определяют взвешенным суммированием аргументов указанных сверток с весами, зависящими от длины радиоволны и разностей одноименных данной компоненте координат соответствующих антенных элементов.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Сигналы от пеленгуемых источников радиоизлучения принимаются антенной системой, состоящей из N идентичных приемных антенных элементов с номерами от 1 до N, расположенных в пространстве таким образом, что расстояние между n-м и (n+1)-м элементом меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона. С помощью N-канального приемника одновременно измеряются разности фаз реализаций сигнала, принятых N измерительными антенными элементами. Требуется по выборке измеренных разностей фаз оценить направление прихода сигнала в 3-мерном пространстве.

Воспользуемся методом максимального правдоподобия (Э.Сейдж, Дж.Мелс. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. Пер. с англ. Под ред. проф. Б.Р.Левина. - М.: Связь, 1976. 496 с. илл., В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1982, 624 с.). При достаточно большом отношении сигнал-шум и пренебрежимо малом взаимном влиянии антенных элементов измеренные разности фаз, усредненные по всем спектральным составляющим сигнала от одного удаленного источника, можно считать многомерной случайной величиной, распределенной по нормальному закону с плотностью вероятности (Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. - М.: Наука, 1977, 831 с.):

где [К_ik] - ковариационная матрица ошибок измерения разностей фаз;

[Λ_ik]=[K_ik]^-1 - обратная ей матрица;

Р=(А,В,С)^T - единичный вектор пеленга, представленный направляющими косинусами направления на цель (T - знак транспонирования);

R_i=(x_i,y_i,z_i)^T - радиус-вектор i-го антенного элемента.

Оценкой максимального правдоподобия вектора Р при измеренной выборке разностей фаз является такое его значение, которое придает максимум выражению (1) при подстановке в него измеренных значений Δφ. Задача сводится к поиску минимума функционала

в пространстве компонент вектора Р после подстановки в него измеренных разностей фаз.

В результате раскрытия в (2) скалярных произведений, дифференцирования полученного выражения по компонентам вектора Р и приравнивания производных нулю задача сводится к линейной системе уравнений, которая в матричной форме имеет вид:

При равноточном измерении начальной фазы сигналов в каналах приемника с дисперсией ошибок σ² ковариационная матрица ошибок оценивания разностей фаз имеет вид:

С точностью до постоянного множителя, не существенного для решения системы уравнений (3), элементы обратной матрицы Λ_ik можно записать следующим образом:

С учетом (5) система уравнений (3) может быть переписана в виде:

где

Система уравнений (6) решается по известному правилу Крамера (Г.Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. - М.: Наука, 1977, 831 с.). Для неплоской антенной решетки решение может быть записано в матричной форме следующим образом:

где M^-1 - матрица, обратная матрице М из формулы (6).

В случае плоской антенной решетки система уравнений (6) вырождается в систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными. Например, при равенстве нулю аппликат всех антенных элементов получаем систему уравнений относительно направляющих косинусов А и В углов, образованных вектором пеленга с осями Ох и Оy соответственно. Третий направляющий косинус может быть найден с точностью до знака с помощью теоремы Пифагора.

Обратная матрица, входящая в решение (7), зависит только от координат антенных элементов, поэтому может быть вычислена заблаговременно и записана в память как константа данной антенной решетки. Из формулы (7) следует, что вычисление оценки максимального правдоподобия компонент вектора пеленга сводится к умножению некоторой трехмерной квадратной матрицы-константы на трехмерный вектор, зависящий от измеренных разностей фаз, т.е. фактически к взвешенному суммированию измеренных разностей фаз.

Переход от полученных с помощью формулы (7) направляющих косинусов пеленга (A, В, С) к традиционным азимуту Θ и углу места β цели осуществляется по известным формулам:

β=arcsinB.

Поясним полученный в общем виде алгоритм максимально правдоподобного оценивания направления прихода сигнала на примере многоканального фазового пеленгатора с плоской кольцевой антенной решеткой, состоящей из N идентичных элементов, равномерно расположенных по периметру кольца. Для удобства прокладки измеренных пеленгов на карте направление координатных осей выбрано совпадающим с направлением осей картографической координатной системы Гауса-Крюгера. В этом случае формула (6) преобразуется следующим образом (антенные элементы расположены в плоскости z=0):

где

После подстановки выражений для координат антенных элементов уравнение (8) преобразуется к виду:

откуда непосредственно следует решение:

Формула (9) дает выражение для оценок направляющих косинусов вектора пеленга А и В в виде взвешенных сумм измеренных разностей фаз сигналов, принимаемых различными антенными элементами решетки. При этом веса представляют собой произведение длины волны на некоторые константы антенной решетки, которые могут быть вычислены заблаговременно и храниться в постоянной памяти вычислителя пеленга в виде числового массива размера 2N.

Многоканальный пеленгатор-прототип представлен на фиг.1, где обозначено:

1 - антенная решетка,

2 - коммутатор,

3 - приемник,

4 - аналого-цифровой преобразователь,

5 - блок преобразования Фурье,

6 - запоминающее устройство компонент спектра,

7 - вычислитель сверток,

8 - вычислитель пеленга,

9 - генератор синхроимпульсов,

10 - вычислитель интерференционных векторов,

11 - блок двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов,

12 - двумерный перемножитель,

13 - вычислитель аргументов компоненты двумерного углового спектра с максимальным значением модуля.

Многоканальный пеленгатор-прототип содержит антенную решетку 1, выполненную из N идентичных ненаправленных элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, соединенную через коммутатор 2, выполненный с возможностью подключения последовательно во времени пары элементов и с возможностью подсоединения к опорному каналу одного элемента, не входящего в эту пару, с приемником 3, выполненным многоканальным с опорным и сигнальным каналами на своем выходе и с общим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 преобразования Фурье, запоминающее устройство 6 компонент спектра, вычислитель 7 сверток, выполненные двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналом и соединенные последовательно, вычислитель 8 пеленга, выполненный с возможностью вычисления азимута и угла наклона фронта волны радиосигнала, подсоединенный своим входом к выходу вычислителя сверток, генератор 9 синхроимпульсов, подсоединенный к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектра, вычислителя сверток, выполненный с возможностью выдачи команды на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения коммутатором следующих пар элементов [1. Патент № 2144200, кл. G 01 S 3/14, 3/74, 17.06.99]. Для дополнительного повышения точности пеленгования вычислитель 8 пеленга выполнен из дополнительного вычислителя 10 интерференционных векторов, блока 11 двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя 12, вычислителя 13 аргументов компоненты двумерного углового спектра с максимальным значением модуля, соединенные последовательно, причем их синхровходы подсоединены к синхровходу вычислителя 8 пеленга.

Недостатком известного устройства является невозможность существенного увеличения скорости пеленгации вследствие последовательного измерения радиосигнала, последовательной во времени обработки сигналов от пары элементов и применения итерационных процедур двумерного поиска максимума.

Задача, решаемая изобретением, - повышение быстродействия пеленгатора.

Поставленная задача решается тем, что в многоканальном пеленгаторе, содержащем антенную решетку, выполненную из N идентичных элементов в количестве не менее трех, выполненные многоканальными соединенные последовательно приемник с общим гетеродином для всех каналов, аналого-цифровой преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектров, вычислитель сверток сигналов соседних каналов, вычислитель пеленгов, а также генератор синхроимпульсов, синхронизирующий работу всех блоков, выходы которого соединены с входами приемника, аналого-цифрового преобразователя, блока дискретного преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектров, вычислителя сверток сигналов соседних каналов, вычислителя пеленгов, согласно изобретению, антенная решетка выполнена произвольной конфигурации с жестким взаимным расположением идентичных антенных элементов и соединена с входами приемника с общим гетеродином для всех каналов, производящего преобразование сигналов параллельно во времени от всех пар соседних элементов, причем число каналов приемника, аналого-цифрового преобразователя, блока дискретного преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектров и вычислителя сверток сигналов соседних каналов соответствует числу антенных элементов, при этом вычислитель пеленгов содержит вычислитель аргументов сумм спектральных составляющих сверток, принадлежащих одному сигналу, запоминающее устройство коэффициентов суммирования аргументов, вычислители пеленгов сигналов по полученным аргументам, один вход вычислителя пеленгов соединен с выходом генератора синхроимпульсов, другие входы соединены с выходами вычислителя сверток сигналов соседних каналов, а выход является выходом устройства, входы вычислителя аргументов сумм спектральных составляющих сверток являются входами вычислителя пеленгов, а его выходы соединены с входами вычислителей пеленгов сигналов по полученным аргументам, другие входы которых соединены с выходом запоминающего устройства коэффициентов суммирования аргументов и выходом генератора синхроимпульсов, а выходы вычислителей пеленгов сигналов по полученным аргументам являются выходами устройства.

За счет выполнения пеленгатора многоканальным по числу антенных элементов, исключения блока сканирования, замены вычислителя пеленга на описанный выше удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Устройство, реализующее предложенный способ, представлено на фиг.2, где обозначено:

1.1, 1.2,..., 1.N - антенные элементы;

2 - приемник с общим гетеродином для всех каналов;

3 - генератор синхроимпульсов;

4 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь;

5 - блок дискретного преобразования Фурье;

6 - запоминающее устройство компонент спектров;

7 - вычислитель сверток сигналов соседних каналов;

8 - вычислитель пеленгов;

9 - вычислитель аргументов сумм спектральных составляющих сверток;

10 - запоминающее устройство коэффициентов суммирования аргументов;

11.1, 11.2,..., 11.К - вычислители пеленгов сигналов по полученным аргументам.

Предлагаемое устройство содержит антенные элементы 1.1, 1.2,..., 1.N, образующие антенную решетку произвольной конфигурации с жестким взаимным расположением элементов с номерами от 1 до N, расположенных в пространстве таким образом, что расстояние между n-м и (n+1)-м элементом меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, выходы которых соединены со входами многоканального по числу антенных элементов приемника 2 с общим гетеродином для всех каналов, выходы которого соединены через многоканальный аналого-цифровой преобразователь 4 со входами блока 5 дискретного преобразования Фурье, выходы которых через запоминающее устройство 6 компонент спектров соединены со входами вычислителя 7 сверток сигналов соседних каналов, выходы которого соединены со входами вычислителя пеленгов 8. Синхровыход генератора 3 синхроимпульсов подсоединен к входам аналого-цифрового преобразователя 4, блока 5 преобразования Фурье, запоминающего устройства 6 компонент спектров сигналов в каждом канале, вычислителя 7 сверток, вычислителя 8 пеленгов.

Вычислитель пеленгов 8 состоит из вычислителя 9 аргументов сумм спектральных составляющих сверток, принадлежащих одному сигналу, запоминающего устройства 10 коэффициентов (весов) суммирования аргументов, вычислителей 11.1, 11.2,..., 11.К пеленгов сигналов по полученным аргументам.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сигналы от пеленгуемых источников радиоизлучения принимаются измерительными антенными элементами 1.1, 1.2,..., 1.N. С помощью многоканального по числу антенных элементов приемника 2 одновременно измеряются разности фаз реализаций сигнала, принятых соседними измерительными антенными элементами. В приемнике радиосигналы переносятся на промежуточную частоту. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует сигналы промежуточной частоты в цифровые сигналы, соответствующие радиосигналам. Полученные последовательности отсчетов, каждая объема М, с выходов аналого-цифрового преобразователя 4 поступают на входы блока 5 преобразования Фурье, на выходах которого получают цифровые сигналы, характеризующие спектры совокупностей сигналов от пеленгуемых источников в N каналах объемом М комплексных отсчетов каждый. Значения центральных частот f_k радиоканалов в полосе анализа df и ширина радиоканала dF априорно известны. Полоса анализа df определяется принятой аппаратной реализацией. В запоминающем устройстве 6 получают цифровые сигналы, соответствующие компонентам спектров в полосе анализа df для всех каналов.

В вычислителе 7 сверток производится операция свертки спектров радиосигналов соседних сигнальных трактов в соответствии с выражением

где n - номер элемента антенной решетки,

k∈1...k_max, k - номер радиоканала с сигналом,

i - текущий индекс при суммировании, n_min(k)≤i≤n_max(k),

m - номер элемента антенной решетки.

После выполнения этой операции получают комплексные амплитуды спектральных составляющих радиосигналов в каждом элементе антенны. Эти спектральные составляющие передаются в вычислитель 9 аргументов сумм спектральных составляющих сверток. Устройство вычислителя 9 показано на фиг.3, где цифрами обозначены:

12.1, 12.2,..., 12.К - сумматоры;

13.1, 13.2,..., 13.К - вычислители аргументов.

В вычислителе 9 аргументов сумм спектральных составляющих сверток суммируются все спектральные составляющие, принадлежащие одному сигналу в сумматорах 12.1, 12.2,..., 12.К, и определяются К аргументов вычисленных сумм в вычислителях аргументов 13.1, 13.2,..., 13.К.

В запоминающем устройстве 10 содержатся постоянные коэффициенты, зависящие от разностей координат соседних антенных элементов. В вычислителях 11.1, 11.2,..., 11.К пеленгов сигналов полученные аргументы суммируются с весами, зависящими от разностей координат соседних антенных элементов и рассчитанной ранее длины волны принимаемого сигнала, и определяются направления приходов радиосигналов в виде К единичных векторов в 3-мерной декартовой системе координат.

На фиг.4 показан вариант выполнения вычислителей 11 для N-канального пеленгатора с антенной системой в виде плоской кольцевой антенной решетки с элементами, расположенными равномерно по периметру кольца.

На фиг.4 обозначено:

14.1, 14.2,..., 14.N-1 - умножители;

15.1, 15.2,..., 15.N-1 - умножители;

16.1, 16.2 - сумматоры;

17.1, 17.2 - умножители;

18.1, 18.2 - умножители;

19 - сумматор;

20 - устройство извлечения корня.

В умножителях 14.1, 14.2,..., 14.N-1, 15.1, 15.2,... 15.N-1 аргументы сумм спектральных составляющих, принадлежащих одному сигналу, полученные в вычислителе 9, умножаются на коэффициенты, зависящие от разностей координат соседних антенных элементов (содержащиеся в запоминающем устройстве 10). Причем, в умножителях 14.1, 14.2,..., 14.N-1 аргументы умножаются на коэффициенты с абсциссами антенных элементов, в умножителе 15.1, 15.2, 15.N-1 - на коэффициенты с ординатами антенных элементов. В сумматорах 16.1, 16.2 суммируются полученные произведения. В умножителях 17.1, 17.2 полученные суммы умножаются на коэффициент, зависящий от радиуса антенной решетки, количества элементов и рассчитанной ранее длины волны принимаемого сигнала. С выходов умножителей 17.1, 17.2 выдаются два направляющих косинуса, которые подаются на выходы устройства и на вход умножителей 18.1, 18.2, в которых полученные направляющие косинусы умножаются сами на себя (возведение в квадрат). Квадраты направляющих косинусов суммируются в сумматоре 19, из полученной суммы извлекается квадратный корень в устройстве 20. Выход устройства 20 извлечения квадратного корня является выходом предлагаемого пеленгатора, с которого выдается третий направляющий косинус в декартовой системе координат.

При реализации предлагаемой конструкции вычислителя пеленга многоканального пеленгатора с кольцевой антенной решеткой, у которой элементы расположены равномерно по периметру кольца (фиг.4) для полного определения направления прихода сигнала в 3-мерном пространстве (с точностью до знака угла места) по измеренным разностям фаз сигналов, необходимы следующие вычислительные затраты:

для определения направляющих косинусов А, В - 2(N-1) операций сложения и 2(N+1) операций умножения;

для определения третьего направляющего косинуса - 2 операции сложения, 2 операции вычитания и функция вычисления квадратного корня.

Таким образом, по экономичности предлагаемый способ пеленгации радиосигналов существенно превосходит известные итерационные алгоритмы пеленгования.

Положительный эффект, достигаемый за счет реализации предлагаемого многоканального пеленгатора, - повышение скорости обработки информации о пеленге.

1. Способ пеленгации радиосигналов, заключающийся в приеме радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных элементов в количестве не менее трех, преобразовании сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, получении спектральных характеристик сигналов каждого канала, выборе частотных поддиапазонов, занимаемых отдельными сигналами, определении сверток комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, определении по этим сверткам направления прихода каждого сигнала, отличающийся тем, что антенную систему, расположенную в пространстве произвольным образом, формируют из идентичных антенных элементов с жестким взаимным расположением с номерами от 1 до N, расположенных в пространстве таким образом, что расстояние между n-м и (n+1)-м элементом меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, многоканальные приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектров сигналов, вычислитель сверток выполняют с числом каналов, равным числу антенных элементов, преобразование сигналов многоканальным приемником производят параллельно во времени от всех элементов, свертки спектров вычисляют между соседними по номеру каналами, направление прихода каждого сигнала определяют как единичный вектор в 3-мерной декартовой системе координат, причем каждую компоненту этого вектора определяют взвешенным суммированием аргументов указанных сверток с весами, зависящими от длины радиоволны и разностей одноименных данной компоненте координат соответствующих антенных элементов.

2. Многоканальный пеленгатор, содержащий антенную решетку, выполненную из N идентичных элементов в количестве не менее трех, а также выполненные многоканальными соединенные последовательно приемник с общим гетеродином для всех каналов, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектров, вычислитель сверток сигналов соседних каналов, вычислитель пеленгов, кроме того, вычислитель пеленгов выполнен с возможностью вычисления азимута и угла наклона фронта волны радиосигнала, и генератор синхроимпульсов, синхронизирующий работу всех блоков, отличающийся тем, что антенная решетка выполнена произвольной конфигурации с жестким взаимным расположением идентичных антенных элементов и соединена с входами приемника, производящего преобразование сигналов параллельно во времени от всех соседних элементов, причем число каналов приемника с общим гетеродином для всех каналов, многоканального аналого-цифрового преобразователя, блока дискретного преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектров и вычислителя сверток сигналов соседних каналов соответствует числу антенных элементов, при этом вычислитель пеленгов содержит вычислитель аргументов сумм спектральных составляющих сверток, принадлежащих одному сигналу, запоминающее устройство коэффициентов суммирования аргументов и вычислители пеленгов сигналов по полученным аргументам, причем спектральные составляющие сверток, полученные в вычислителе сверток сигналов соседних каналов передаются в вычислитель аргументов сумм спектральных составляющих сверток, выходы которого соединены с входами вычислителей пеленгов сигналов по полученным аргументам, соответствующие входы которых соединены с выходом запоминающего устройства коэффициентов суммирования аргументов, а выходы вычислителей пеленгов сигналов по полученным аргументам являются выходами устройства.