Способ пеленгации ионосферных сигналов

Способ пеленгации ионосферных сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пеленгации, и может быть использовано для пеленгации (измерение азимутов) и измерения углов места ионосферных сигналов в условиях приема как одного, так и двух интерферирующих лучей в широком частотном диапазоне. При приеме ионосферных сигналов в точку приема, как правило, приходят несколько лучей, отраженных от разных слоев ионосферы, с азимутами, находящимися в области главного лепестка диаграммы направленности (~5÷10 градусов). Вследствие интерференции лучей суммарный главный лепесток диаграммы направленности антенной системы, состоящий из суммы диаграмм направленности отдельных лучей, существенно меняется. В результате возникают ложные пеленги, отличающиеся от истинных пеленгов на десятки градусов. Наличие ложных пеленгов значительно снижает достоверность получаемой информации об азимуте и угле места ионосферного сигнала.

Известны фазовые способы пеленгации, осуществляемые путем измерений разности фаз между вибраторами антенной системы и оценки по этим измерениям азимутов и углов места (Патент RU №2263327, опубликован 27.10.2005 г.; Патент RU №2365931, опубликован 27.08.2009 г.; Патент RU №2429500, опубликован 20.09.2011; Патент RU №2450283, опубликован 10.05.2012 г.; Заявка на изобретение RU №2010143935, опубликована 10.05.2012 г.; Заявка RU №2003108306 от 25.03.2003 г., G01S 3/14, опубликована 10.10.2004 г.). Недостатком вышеуказанных способов является то, что используется для определения угловых параметров сигнала только фазовая информация. Однозначное определение фазы волны на вибраторах возможно на интервале 0÷360°. Это требует малого, по сравнению с длиной волны, пространственного разнесения вибраторов R ¯ n + 1 − R ¯ n < λ 2 . В условиях приема двух близких по азимуту лучей фазовые способы пеленгации являются неустойчивыми. При разности фаз между лучами ~180° они дают отклонения пеленга на десятки градусов (ложные пеленги), что значительно снижает достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов.

Известны способы пеленгации по максимуму диаграммы направленности антенной системы (Патент RU №2144200, опубликован 10.01. 2000 г.; Патент RU №2258241, опубликован 10.08.2005 г.; Патент RU №2419805, опубликован 27.05.2011 г.; Патент RU №2201599, опубликован 27.03.2003 г.; Патент RU №2004100714, опубликован 20.06.2005 г.). В этом случае используется временное преобразование Фурье для частотного выделения сигнала от отдельных вибраторов антенной системы и различные формы пространственной обработки данных. Наилучшим образом диаграмма направленности формируется при использовании пространственного преобразования Фурье. В результате создается двумерный комплексный угловой спектр (диаграмма направленности антенной системы). При использовании пространственного преобразования Фурье диаграмма направленности формируется по выражению (комплексный вид):

U ^ ( α ' , β ' ) = 1 N ∑ n = 1 N E n e − i K ¯ ( α ' , β ' ) R ¯ n ,                                                     ( 1 )

где:

E ^ n - комплексная амплитуда в «-точке пространства с радиус-вектором R ¯ n ,

K ¯ ( α ' , β ' ) - оценочный волновой вектор ионосферного сигнала,

α', β' - оценочные значения азимута и угла места ионосферного сигнала.

Квадрат модуля нормированной диаграммы направленности (расчетная форма) определяется выражением

U 2 ( α ' , β ' ) = E n cos ( ψ n − K ¯ ( α ' , β ' ) R ¯ n ) ¯ 2 + E n sin ( ψ n − K ¯ ( α ' , β ' ) R ¯ n ) ¯ 2 E ¯ n 2 ,                                               ( 2 )

где черта сверху означает суммирование по индексу «n».

Недостатком способов пеленгации по максимуму диаграммы направленности антенной системы, связанных с пространственным преобразованием Фурье, является неустойчивость решения при наличии двух лучевой интерференции при разности фаз между лучами ~180°. При приеме двух интерферирующих лучей ионосферного сигнала (различие в азимутах меньше ширины диаграммы направленности) суммарная диаграмма направленности за счет изменения разности фаз между лучами (в области ~180 градусов) в значительной степени подавляется. Боковые или задние лепестки суммарной диаграммы направленности в этих условиях становятся больше, чем основной лепесток диаграммы направленности. В результате азимут (пеленг) в амплитудном способе пеленгации определяется по максимальному боковому или заднему лепестку диаграммы направленности антенной системы. Отклонения азимута (ложные пеленги) достигают десятков градусов. В результате достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов оказывается низкой. Кроме того, невозможно обеспечить работоспособность пеленгатора в широком частотном диапазоне 2+30 МГц. Требования точности измерения пеленга в низкочастотной части диапазона (3÷4 МГц) определяют базу антенной системы R≥150 м. Однако при количестве вибраторов ~16 в высокочастотной части диапазона (20+30 МГц) диаграмма направленности не формируется в связи с большим пространственным разнесением вибраторов по сравнению с длиной волны, что ограничивает частотный диапазон сверху.

Известны способы пеленгации, антенная система в которых состоит из ограниченного количества вибраторов (3÷5 вибратора) (Патент RU №2262119, опубликован 10.10.2005 г.; Патент RU №2253877, опубликован 10.06.2005 г.). Недостатками этого способа пеленгации является малая помехоустойчивость, вследствие отсутствия статистической обработки данных, и наличие ложных пеленгов при приеме двух близких по азимуту лучей ионосферного сигнала.

Известны способы пеленгации, антенная система в которых состоит из двух взаимно перпендикулярных линейных эквидистантных антенных решеток (Патент RU №2192651, опубликован 05.10.2000 г.). Способ включает в себя прием сигнала с помощью антенной системы, многоканального приемника, преобразование аналоговых сигналов в каждом канале в цифровую форму, использование двумерного углового преобразования Фурье, которое создает диаграмму направленности антенной системы. Максимум диаграммы направленности позволяет оценить азимут (пеленг) и угол места. Недостатком этого способа пеленгации является зависимость точности измерения пеленга от взаимной ориентации антенной системы и пеленга. При пеленгации ионосферных сигналов в условиях приема двух интерферирующих лучей могут возникать ложные пеленги, что значительно снижает достоверность оценок азимутов и углов места ионосферных сигналов.

Наиболее близким (прототип) к предлагаемому способу пеленгации при приеме как одного луча, так и двух лучей ионосферных сигналов является «Способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами», патент RU №2305294, МПК G01S 3/16, опубликован 27.08.2007 г. Он включает в себя следующую последовательность действий.

С помощью антенной решетки, состоящей из N-вибраторов, расположенных равномерно по окружности радиуса R (пространственная база сигнала) 1) принимают ионосферные сигналы, 2) преобразуют их по частоте, 3) усиливают посредством многоканального приемника. Аналоговые сигналы на выходе многоканального приемника в каждом канале (от каждого вибратора) 4) преобразуют в цифровую форму посредством многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). 5) Определяют амплитуды E_n и фазы Ψ_n принятого ионосферного сигнала в каждом канале (от каждого вибратора) с помощью временного преобразования Фурье. 6) Формируют суммарную четырехмерную (для двух лучей) диаграмму направленности с учетом коэффициента корреляции между лучами по выражениям.

U ^ ( α 1 ' , β 1 ' , α 2 ' , β 2 ' ) = U ^ 1 E n * exp ( − i k ¯ 1 ( α 1 ' , β 1 ' ) R ¯ n ) ¯ + U ^ 2 E n * exp ( − i k ¯ 2 ( α 2 ' , β 2 ' ) R ¯ n ) ¯ E ^ n E ^ n * ¯                             ( 3 )

где

U ^ 1 = E ^ n exp ( i k ¯ 1 ( α 1 ' , β 1 ' ) R ¯ n ) ¯ − E n exp ( i k ¯ 2 ( α 2 ' , β 2 ' ) R ¯ n ) ¯ A ^ 1 1 − A ^ 1 A ^ 1 *

U ^ 2 = E ^ n exp ( i k ¯ 2 ( α 2 ' , β 2 ' ) R ¯ n ) ¯ − E ^ n exp ( i k ¯ 1 ( α 1 ' , β 1 ' ) R ¯ n ) ¯ A ^ 1 * 1 − A ^ 1 A ^ 1 *

A ^ 1 = exp ( i ( k ¯ 2 ( α 2 ' , β 2 ' ) − k ^ 1 ( α 1 ' , β 1 ' ) ) R ¯ n ) ¯

E ^ n - комплексная амплитуда сигнала, измеренная на n-вибраторе,

R ¯ n - радиус-вектор, определяющий местоположение n-вибратора,

k ¯ 1 ( α 1 ' , β 1 ' ) , k ¯ 2 ( α 2 ' , β 2 ' ) - волновые вектора первого и второго лучей ионосферного сигнала, зависящие от оценочных азимутов α 1 ' , α 2 ' и углов места β 1 ' , β 2 '

A ^ 1 - коэффициент корреляции между лучами,

Черта сверху означает суммирование по индексу n.

Знак * означает комплексное сопряжение,

Знак ∧ означает комплексную величину.

7) Производят сканирование диаграммой направленности в четырехмерном пространстве за счет изменения оценочных азимутов и углов места α 1 ' , α 2 ' и β 1 ' , β 2 ' в указанных угловых диапазонах с определенным шагом, запоминая значения параметров α 1 ' , α 2 ' , β 1 ' , β 2 ' , U ^ 1 , U ^ 2 , U ^ ( α 1 ' , β 1 ' , α 2 ' , β 2 ' ) . Азимут и угол места каждого луча определяются по максимуму четырехмерной диаграммы направленности.

Недостатком этого способа является большая трудоемкость, продолжительность расчетов, связанная с необходимостью перебора (сканирования диаграммой направленности) двух азимутов и двух углов места ( α 1 ' , β 1 ' и α 2 ' , β 2 ' ) с шагом по азимуту Δα≤0.5° в диапазоне 0÷360 градусов и с шагом по углу места Δβ≤0.5° в диапазоне 0÷90 градусов в четырехмерном пространстве азимутов и углов места.

Блок схема данного способа пеленгации (прототипа) представлена на фиг.1. Согласно данному способу пеленгации последовательность действий следующая.

1. Принимают сигналы с помощью круговой антенной системы, состоящей из N-вибраторов ( N ≥ ​ N 1 + 1 ( 1 − | A ˜ 1 | 2 , N 1 = 8 ) , расположенных на поверхности земли равномерно по окружности радиуса R ( R ≥ 2 π 3 | k ¯ 1 ( α 01 , β 01 ) − k ¯ 2 ( α 02 , β 02 ) | ) (блок 1). Круговые антенные системы характеризуются максимальным частотным диапазоном. Количество вибраторов определяется количеством параметров ионосферного сигнала и требуемым отношением сигнал/шум. Радиус антенной системы определяется размером интерференционной структуры поля на поверхности земли.

2. С помощью многоканального приемника преобразуют сигналы от каждой антенны по частоте, усиливают и фильтруют (блок 2).

3. Преобразуют аналоговые сигналы на выходах многоканального приемника от каждого вибратора в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (блок 3).

4. Определяют амплитуды E_n и фазы ψ_n сигналов от каждого вибратора (в каждом канале), например с помощью временного преобразования Фурье (блок 4).

5. Задают точку в пространстве оценочных азимутов α 1 ' , α 2 ' и углов места β 1 ' , β 2 ' и вычисляют согласно (3) четырехмерную диаграмму направленности U ^ ( α 1 ' , β 1 ' , α 2 ' , β 2 ' ) в заданной точке по выборке данных E ^ n и запоминают ее значения и значений переменных U ^ 1 , U ^ 2 (Блок 5).

6. Повторяют действия (5) с другими значениями параметров α 1 ' , α 2 ' и β 1 ' , β 2 ' (из области их определения) с шагом по азимуту Δα≤0.5° в диапазоне 0÷360 градусов и с шагом по углу места Δβ≤0.5° в диапазоне 0÷90 градусов и создают поверхность в четырехмерном пространстве азимутов и углов места (четырехмерную диаграмму направленности) (блок 6).

7. 0пределяют максимальное значение четырехмерной диаграммы направленности и фиксируют параметры α 1 ' = α 01 , β 1 ' = β 01 , α 2 ' = α 02 , β 2 ' = β 02 , а также U ^ 1 = U ^ 01 , U ^ 2 = U ^ 02 (блок 7).

8. Определяют ранг поля (однолучевое или двулучевое) по условию U₀₁/U₀₂≥3 и оставляют решения, удовлетворяющие этому условию (блок 8).

Целью предлагаемого изобретения (технический результат) является сокращение времени расчета угловых параметров двулучевого ионосферного сигнала в прототипе «Способ пеленгации с учетом корреляционной взаимосвязи между лучами».

Технический результат достигается тем, что алгоритмически формируют дополнительную антенную систему с минимальной базой. По максимальному значению двумерной диаграммы направленности U ( α y ' , β y ' ) антенной системы с минимальной базой оценивают устойчивое (отсутствие ложных пеленгов) однолучевое, в условиях приема двух лучей, значение азимута α y ' и угла места β y ' . Далее это решение уточняют двулучевым решением по выражениям (3) в пределах ограниченной четырехмерной площадки α 1 ' = α y ' ± 10   г р а д у с о в , α 2 ' = α y ' ± 10   г р а д у с о в , β 1 ' = β y ' ± 10   г р а д у с о в , β 2 ' = β y ' ± 10   г р а д у с о в . Двумерную диаграмму направленности U ( α y ' , β y ' ) формируют по оригинальному выражению (4), отличному от известного выражения для диаграммы направленности (2)

U 2 ( α y ' , β y ' ) = 2 E n + 1 E n cos [ ψ n + 1 − ψ n + K ¯ ( α y ' , β y ' ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n ) ] ¯ E n + 1 2 ¯ + E n 2 ¯                                           ( 4 ) ,

где:

E_n, Ψ_n - амплитуда и фаза, измеренные на n-вибраторе,

R_n - радиус вектор, определяющий расположение вибратора,

K ¯ ( α y ' , β y ' ) - волновой вектор ионосферного сигнала в условиях двулучевого приема,

α y ' , β y ' - оценочные азимут и угол места ионосферного сигнала устойчивые в условиях двух лучевого приема.

Областью определения устойчивого однолучевого решения α y ' , β y ' является интервал азимутов 0÷360 градусов и интервал углов места 0÷90 градусов. Устойчивость оценок азимута и угла места и широкий частотный диапазон обеспечиваются использованием при формировании двумерной диаграммы направленности (4) разности фаз двух соседних вибраторов ψ_n+1-ψ_n.

Сокращение времени расчета обеспечивается тем, что наиболее трудоемкий расчет четырехмерной диаграммы направленности по выражению (3) производится на ограниченной площадке, а не на всем угловом диапазоне азимутов и углов места.

Обоснованием устойчивого однолучевого способа пеленгации в условиях двулучевого приема является следующее.

Запишем сигнал на n-вибраторе E ^ n в комплексной форме в виде

E ^ n = U ^ e − i K ¯ ( α 0 y , β 0 y ) R ¯ n                                                                         ( 5 )

где U ^ - комплексная амплитуда,

K ¯ ( α y , β y ) - волновой вектор ионосферного сигнала,

α_0y, β_0y - устойчивые значения азимута и угла места ионосферного сигнала в условиях двух лучевого приема,

R ¯ n - местоположение n-вибратора.

В выражении (5) изменим индекс «и» на единицу и исключим U ^ , тогда

E ^ n + 1 = E ^ n e − i K ¯ ( α 0 y , β 0 y ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n )                                                                         ( 6 )

На основании выражения (6) составим функционал правдоподобия

Δ ( α y ' , β y ' ) = ∑ n = 1 N | E ^ n + 1 − E ^ n e i K ¯ ( α y ' , β y ' ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n ) | 2                                                                       ( 7 )

При возведении в квадрат (7) получим:

Δ ( α y ' , β y ' ) = E n + 1 2 ¯ + E n 2 ¯ − 2 E n + 1 E n cos [ ψ n + 1 − ψ n + K ¯ ( α y ' , β y ' ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n ) ] ¯                                           ( 8 )

Черта сверху означает суммирование по N-вибраторам (по индексу n).

При нормировке (8) на сумму первых двух слагаемых получим:

Δ 1 ( α y ' , β y ' ) = 1 − 2 E n + 1 E n cos [ ψ n + 1 − ψ n + K ¯ ( α y ' , β y ' ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n ) ] ¯ E n + 1 2 ¯ + E n 2 ¯                                           ( 9 )

Второе слагаемое в (9) определяет квадрат нормированной диаграммы направленности (4).

U 2 ( α y ' , β y ' ) = 2 E n + 1 E n cos [ ψ n + 1 − ψ n + K ¯ ( α y ' , β y ' ) ( R ¯ n + 1 − R ¯ n ) ] ¯ E n + 1 2 ¯ + E n 2 ¯

Если волновой вектор K ¯ ( α y ' , β y ' ) подобрать так, чтобы аргу