Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона

Способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при пеленгации источников радиоизлучений (ИРИ) коротковолнового (KB) -диапазона, в частности при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ с применением многоэлементных антенных решеток (АР).

В KB -диапазоне широко применяются средства пеленгования и местоопределения ИРИ из одной точки с использованием многоэлементных АР [1], в том числе с кольцевыми АР [2].

Обработка принятых сигналов при пеленговании ИРИ позволяет реализовать предельные возможности пеленгационных систем по точности, дальности и быстродействию.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2096797 [3].

В ходе обработки принятые сигналы селектируют по частоте и поканально сравнивают спектральные характеристики. По результатам сравнения судят о значении пеленга.

Недостатками известного способа обработки сигналов являются ограниченное быстродействие при априорно неизвестном районе действия ИРИ и низкая точность. Это объясняется необходимостью применения при обработке сигналов многократного сканирования диаграммы направленности АР и проведения двумерных итераций.

Известен способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, используемый в патенте RU №2210088 [4].

В ходе обработки последовательно выполняют операции упорядочивания, уплотнения, усиления, частотной селекции и демодулирования, разуплотнения, вычисления угла прихода квазигармонического сигнала по значению арктангенса от отношения U₂/U₁, где в качестве управляющих сигналов f_i(t) используют упорядоченную пару сигналов из множества упорядоченных пар ортогональных сигналов.

Способ позволяет существенно повысить точность пеленгования по сравнению с первым аналогом. Недостатком способа является ограниченное быстродействие, вызванное необходимостью выполнения процедур сканирования и двумерных итераций. Это связано с подбором соответствующих пар, обладающих одновременно взаимной частотной ортогональностью между компонентами с разными частотами и взаимной фазовой ортогональностью между компонентами с одинаковыми частотами. Кроме того, известный способ применим к ИРИ с квазигармоническими сигналами и для его реализации требует использования радиоприемного устройства частотно-модулированных сигналов. Это ограничивает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона, сущность которого описана в патенте RU №2432580 [5] (прототип).

Способ включает частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР в ходе определения пеленга. Линию пеленга находят в плоскости пеленгационной антенны, а по результатам весовой обработки формируют вспомогательную плоскость, ортогональную плоскости пеленгационной антенны и проходящую через полученную линию пеленга. Способ позволяет повысить быстродействие и существенно увеличить точность пеленгования при дислокации ИРИ на земной поверхности.

Однако при дислокации ИРИ в трехмерном пространстве и использовании объемных АР быстродействие пеленгования ИРИ KB-диапазона недостаточно. Это проявляется наиболее заметно при использовании мобильных пеленгаторов, кратковременной работе ИРИ и размещении ИРИ на подвижных летательных аппаратах (самолеты, радиозонды и т.п.). Компенсация возникающих ошибок пеленгования требует в ходе обработки проведения процедур сканирования и двумерных итераций, что во многих случаях становится проблематичным.

Целью изобретения является повышение быстродействия обработки сигналов ИРИ KB-диапазона, находящихся в трехмерном пространстве, при многоканальной фазовой пеленгации.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известный способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ПРИ KB-диапазона, включающий частотную селекцию принятого сигнала и измерение фазы сигнала на каждом элементе АР, введены операции, в ходе которых на частоте ИРИ оценивают фазу сигнала в геометрическом центре АР, на каждом элементе АР определяют фазу сигнала относительно фазы в геометрическом центре АР, формируют матрицу координат и матрицу направленности АР, определяют сферическую поверхность нахождения вектора прихода плоской волны, находят вспомогательный вектор, определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, строят семейство подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром, определяют точку касания эллипсоида из построенного семейства с сферической поверхностью, после чего находят вектор прихода сигнала и соответствующие ему азимут и угол места.

Предлагаемый способ обработки сигналов эа счет введения новых операций не требует процедур сканирования и двумерных итераций, что и позволяет повысить быстродействие при пеленговании ИРИ KB-диапазона при их размещении над земной поверхностью в трехмерном пространстве.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона из патентных источников не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона;

на фиг.2 - процесс векторного построения в ходе обработки сигналов ИРИ KB-диапазона.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона содержит N радиоприемников 1, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля 2, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока 3 опорного генератора. Выход фазометрического модуля 2 через модуль 4 формирования матриц элементов АР соединен с первым входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, через модуль 6 определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль 7 определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля 5 вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников 1 являются входами сигнала ИРИ, а дополнительный вход модуля 4 формирования матриц элементов АР является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона.

Способ обработки сигналов при фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона реализуется следующим образом.

При обработке сигналов в ходе пеленгования ИРИ в трехмерном пространстве известным способом приходится производить процедуры сканирования и двухмерных итераций, в том числе:

- выбирать шаг двумерной сетки по углам прихода сигнала в и ft (азимут и угол места), причем достаточно малый для исключения пропуска окрестности глобального минимума функционала невязки;

- для каждой точки сетки производить расчет функционала невязки;

- выбирать точку сетки с минимальным значением функционала невязки в качестве начального приближения для итераций;

- выполнять итерационный поиск минимума функционала невязки в окрестности выбранной точки, пока уточнение углов азимута и места ИРИ на очередном шаге не станет меньше допустимой погрешности.

Приведенные процедуры требуют значительного времени обработки сигнала ИРИ и при кратковременности излучения, а также быстрого перемещения обеспечение пеленгования с необходимой точностью становится проблематичным.

При обработке предлагаемым способом сигнал ИРИ поступает на вход каждого радиоприемника 1 в канале элемента АР устройства (фиг.1). Блок 3 опорного генератора - общий для всех радиоприемников 1, каждый из которых обеспечивает частотную селекцию принятого сигнала ИРИ.

С выходов каждого радиоприемника 1 сигнал подается на вход фазометрического модуля 2, в каналах которого сигнал детектируется по фазе. Результирующие сигналы через сигнальную шину поступают на вход модуля 4 формирования матриц элементов АР.

Модуль 4 осуществляет оценку фазы сигнала в геометрическом центре АР:

ϕ 0 = 1 N ∑ i = 1 N ϕ i '   ( 1 )

где - N- количество антенных элементов;

ϕ 1 ' ,   ϕ 2 ' , … , ϕ N ' - измеренные фазы на элементах АР,

и формирует матрицу координат и матрицу направленности АР.

Фазы сигнала на элементах АР относительно фазы в центре АР:

ϕ = ( ϕ 1 ϕ 2 ⋯ ϕ N ) = ( ϕ 1 ' − ϕ 0 ϕ 2 ' − ϕ 0 ⋯ ϕ N ' − ϕ 0 ) ,   ( 2 )

Координаты элементов АР вводятся в модуль 4 через дополнительный вход устройства обработки.

Матрица координат элементов АР:

A = ( x 1 y 1 z 1 x 2 y 2 z 2 ⋯ ⋯ ⋯ x N y N z N ) ,   ( 3 )

где - x_i, y_i, z_i - декартовые координаты i-го элемента АР, причем

∑ i = 1 N x i = ∑ i = 1 N y i = ∑ i = 1 N z i = 0 .

Матрица направленности АР:

B = A T A = ( ∑ i = 1 N x i 2 ∑ i = 1 N x i y i ∑ i = 1 N x i z i ∑ i = 1 N x i y i ∑ i = 1 N y i 2 ∑ i = 1 N y i z i ∑ i = 1 N x i y i ∑ i = 1 N y i z i ∑ i = 1 N z i 2 )   ( 4 )

- симметричная неотрицательно определенная матрица размера 3×3,

где Т - символ транспонирования.

С выхода модуля 4 формирования матриц элементов АР информация подается на вход модуля 6 определения векторов сигнала, на вход модуля 7 определения дисперсии ошибок и непосредственно - на первый вход модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

С помощью модуля 6 определяется сферическая поверхность нахождения трехмерного волнового вектора k с центром в начале координат

k T k = ( 2 π λ ) 2 ,   ( 5 )

где - λ - длина волны в метрах, λ=300/F;

F - частота сигнала в МГц,

С помощью модуля 7 находится вспомогательный вектор k ^ , определяющий центр области возможных ошибок измерения волнового вектора, после чего осуществляется построение семейства подобных эллипсоидов ошибок с общим найденным центром.

Вспомогательный вектор

k ^ = arg   min k   Φ ( k ) = B − 1 A T ϕ ,   ( 6 )

позволяет обеспечить безусловный минимум квадратичному функционалу Ф(k) невязки фазовых измерений Ф(k)=(Ak-φ)^T(Ak-φ). После перемножения и дополнения до «полного квадрата» [6, с.96, выражение 3.64] Ф(k) может быть представлен в виде:

Ф ( k ) = ( A k − ϕ ) T ( A k − ϕ ) = k T A T A k − 2 k T A T ϕ + ϕ T ϕ = = k T A T A k − 2 k T A T A ( A T A ) − 1 A T ϕ + ϕ T ϕ = k T A T A k − 2 k T A T A k ^ + ϕ T ϕ = = ( k − k ^ ) T B ( k − k ^ ) + ϕ T ϕ − k ^ T B k ^ ,

где от k зависит только первое слагаемое. Поэтому задача поиска минимума функционала Ф(k) при условии (5) сводится к нахождению минимального эллипсоида из семейства (7), имеющего одну общую точку со сферой (5), то есть касающегося сферы.

Семейство подобных эллипсоидов с общим центром в точке k ^ конца вектора

( k − k ^ ) T ( k − k ^ ) = C > 0   ( 7 )

Результирующие данные модулей 4, 6 и 7 подаются на входы модуля 5 вычислителя параметров пеленга.

Для определения искомого вектора k прихода плоской волны в модуле 5 рассчитывается точка касания эллипсоида из семейства (7) с сферой (5). Для этого в модуле 5 осуществляются следующие операции:

- определяются собственные значения b₁, b₂, b₃ матрицы В -неотрицательные вещественные числа, и соответствующий им ортонормированный набор собственных векторов ν₁, ν₂, ν₃ матрицы В;

- осуществляется переход в систему координат, оси которой - собственные векторы матрицы В, и определяются координаты вспомогательного вектора k ^ = ( k ^ 1 ,   k ^ 2 ,   k ^ 3 ) T в новой системе координат:

( k ^ 1 k ^ 2 k ^ 3 ) = V ( k ^ x k ^ y k ^ z ) ,   ( 8 )

где V = ( ν 1 T ν 2 T ν 3 T ) - матрица перехода в новую систему координат

- для координат искомого вектора k=(k₁, k₂, k₃)^T в новой системе координат и параметра L составляется система уравнений:

{ ( b 1 + L ) k 1 = b 1 k ^ 1 ( b 2 + L ) k 2 = b 2 k ^ 2 ( b 3 + L ) k 3 = b 3 k ^ 3 k 1 2 + k 2 2 + k 3 2 = ( 2 π λ ) 2 ,   ( 9 )

- подстановкой выражений для k₁, k₂, k₃ из первых трех уравнений в четвертое система уравнений (8) сводится к алгебраическому уравнению 6-й степени с одним неизвестным параметром L:

( 2 π λ ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 2 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 − ( b 1 k ^ 1 ) 2 ( b 2 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 − ( b 2 k ^ 2 ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 3 + L ) 2 − ( b 3 k 3 ) 2 ( b 1 + L ) 2 ( b 2 + L ) 2 = 0 ;   ( 10 )

- находится ближайший к 0 корень Z уравнения (9);

- подстановкой найденного значения для L в систему (8) из первых трех уравнений находятся координаты k₁, k₂, k₃ искомого вектора k;

- осуществляется обратный переход в исходную систему координат:

( k x k y k z ) = V T ( k 1 k 2 k 3 ) ,   ( 11 )

Углы прихода сигнала (азимут и угол места):

θ = a r c t g ( k x / k y )   ( 12 )

β = arcsin ( k z ) .

Процесс векторного построения в ходе обработки сигнала ИРИ приведен на фиг.2, где S - сфера радиуса r = 2 π λ - с центром в 0 - начале декартовой системы координат X,Y,Z; E - эллипсоид из семейства (7), касающийся S, с центром в k ^ и осями ν₁, ν₂, ν₃; k - волновой вектор - точка

касания Е с S.

Модули 4-7 могут быть выполнены, например, на базе процессоров Texas Instruments TMS 320 С 6416/6713 и ПЛИС [6].

Таким образом, предлагаемый способ обработки сигналов при многоканальной фазовой пеленгации ИРИ KB-диапазона не требует процедур сканирования и двумерных итераций, за счет чего существенно повышается быстродействие пеленгования.

Количественные показатели повышения быстродействия зависят от условий пеленгования и в случаях проведенных экспериментов и моделирования находились в пределах 30-70 раз.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа подтвердила правильность и достаточность технических решений.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Вартанесян В.А., Гойхман Э.Ш., Рогаткин М.И. Радиопеленгация. -М.: Воениздат, 1966 (с.74).

2. А.В.Дубровин. Потенциальная точность измерения направления на излучатель для пеленгационных средств с кольцевыми антенными решетками. «Антенны», 2006, выпуск 2(15), с.29-31.

3. Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор. Патент RU 2096797, МПК G01S 3/14, опубликован 20.11.1997.

4. Способ одноканального радиопеленгования квазигармонических сигналов при минимальном числе неподвижных ненаправленных антенных элементов и устройство для его реализации. Патент RU №2210088, МПК G01S 3/54, опубликован 10.08.2003. Бюл. №22.

5. Способ определения координат источника радиоизлучений при амплитудно-фазовой пеленгации с борта летательного аппарата. Патент RU 2432580 С1, МПК G01S 1/08, приоритет 03.08.2010.

6. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, 1990.

7. Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

Устройство обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона, содержащее N радиоприемников, выход каждого из которых соединен с входом фазометрического модуля, а на управляющие входы подается сигнал с выхода блока опорного генератора, отличающееся тем, что в него введены модуль вычислителя параметров пеленга, модуль определения векторов сигнала, модуль определителя дисперсии ошибок и модуль формирования матриц элементов антенной решетки, вход которого подключен к выходу фазометрического модуля, а выход соединен с первым входом модуля вычислителя параметров пеленга, через модуль определения векторов сигнала подключен к второму входу и через модуль определителя дисперсии ошибок соединен с третьим входом модуля вычислителя параметров пеленга, при этом входы радиоприемников являются входами сигнала источника радиоизлучений, а дополнительный вход модуля формирования матриц антенной решетки является дополнительным входом устройства обработки сигналов при фазовой пеленгации источников радиоизлучений коротковолнового диапазона.